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Für meinen Schwiegersohn Ruedi und der jüngsten Enkelin Leona
Vorwort zur 1. Auflage Es gibt bereits gute, einführende Lehrbücher der Fluidmechanik bzw. Strömungslehre (z. B. „Technische Strömungslehre“ von Willy Bohl), die für den Unterricht an Universitäten und Fachhochschulen geeignet sind. Warum ein weiteres Fachbuch über die Grundlagen der Fluidmechanik? Dieses Buch wurde speziell für Maschinenbau- und Verfahrensingenieure erarbeitet. Um diesem Fachbereich gerecht zu werden, wurden im Vergleich zu anderen Lehrbüchern gewisse Gebiete wie z. B. die Strömung in offenen Gerinnen und Rheologie weggelassen, andere Themen zusätzlich aufgenommen beziehungsweise erweitert behandelt. Diese sind: • die für die Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren wichtige Berechnung des Druckverlustes bei der Strömung von Flüssigkeits/Gasgemischen in Rohren • die für sicherheitstechnische Risikoanalysen wichtige kritische Strömung von Gasen und Flüssigkeits/Gasgemischen • die Strömung kompressibler Fluide mit hoher Geschwindigkeit (Fanno-Linie) • Reibungsdruckverluste in quer angeströmten Rohrbündeln • einfache Grundlagen der nummerischen Lösungsmethoden, die hinsichtlich vermehrt aufkommender Strömungsprogramme den Studierenden einen ersten Einblick in dieses Gebiet vermittelt und sie in die Lage versetzt, einfachere Probleme selbst zu programmieren • in Mathcad erstellte Beispiele, die im Internet abgerufen werden können. Sie erlauben z. B. die Berechnung von Druckverlusten in Rohrleitungssys-temen, Bestimmung der Stoffwerte, Berechnung des Druckverlustes und kritischen Massenstromes in Gas/Flüssigkeitsgemischen, Berechnung von Lavaldüsen etc. Aufbau und Gestaltung des Buches orientieren sich an den hervorragenden amerikanischen Lehrbüchern „Engineering Fluid Mechanics“ von John A. Roberson und Clayton T. Crowe und „Introduction to Fluid Mechanics“ von Robert W. Fox und Alan T. McDonald. Beide Bücher zeichnet eine klar strukturierte und systematische Darstellung aus. Durch treffend gewählte Beispiele werden Verständnis und Benutzung erleichtert. Die Grundlagen für das vorliegende Buch lieferten meine Erfahrungen aus der Forschungstätigkeit über zweiphasige Strömungen, aus industrieller Praxis mit Wärmeübertragern, Wasserabscheidern und Strömungsmaschinen für Dampfkraftwerke und aus zehnjähriger Lehrtätigkeit, Laborpraxis und anwendungsorientierter Forschung an der Fachhochschule beider Basel. Bei der Erstellung des Buches wurden folgende Ziele angestrebt: • klare und streng strukturierte Darstellung der Grundlagen • Aufzeigen der grundlegenden Gemeinsamkeiten mit der Thermodynamik • Anwendung der Grundlagen auf praktische Probleme in Musterbeispielen • strikte Verwendung des Systembegriffes und Kontrollraumes • konsequente Anwendung und Formulierung der Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie • praxisorientierte Stoffvermittlung
VIII
Vorwort
•
Vermittlung der Stoffwerte aus Diagrammen und Tabellen im Anhang des Buches. Der behandelte Stoffumfang entspricht den Fluidmechanik-Kursen für Maschinenbau- und Verfahrensingenieure an technischen Hochschulen und Fachhochschulen. Das Buch entstand aus meinem Vorlesungsskript. Ich danke den Studentinnen und Studenten, die durch ihre Fragen, Anregungen und Kritik mitgewirkt haben, ein für den Unterricht geeignetes Werk zu erstellen. Für weitere Anregungen und Kritik aus dem Leserkreis bin ich dankbar. Meiner Frau Brigitte danke ich für ihre Unterstützung während der vielen Stunden, die das Verfassen und die Redaktion des Buches gekostet haben. Mit stilistischen Ratschlägen hat sie wesentlich zur sprachlichen Gestaltung des Buches beigetragen. Dem Verlag Sauerländer danke ich für die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Muttenz, im Juli 2001 Peter von Böckh
Vorwort zur 2. Auflage Nachdem der Sauerländer Verlag Fachhochschulbücher nicht mehr publiziert, erklärte sich freundlicherweise der Springer Verlag bereit, die 2. Auflage des Buches zu veröffentlichen. Die erste Auflage benutzte ich zweieinhalb Jahre in den Vorlesungen. Dank der Aufmerksamkeit der Studierenden und des Herrn Dr. Hartwig Wolf konnte ich einige sachliche Fehler eliminieren. Das Buch fand bei Studierenden und auch bei Benutzern aus der Industrie gute Resonanz. Gegenüber der ersten Auflage verbesserte meine Frau Brigitte in diesem Buch die Verständlichkeit der Formulierungen. Mein besonderer Dank gilt dem Springer Verlag für die wertvolle und speditive Zusammenarbeit. Muttenz, Frühjahr 2004 Peter von Böckh
Inhaltsverzeichnis 1
Einleitung und Grundlagen ............................................................ 1
1.1 Womit beschäftigt sich die Fluidmechanik? ............................................. 1 1.2 Unterscheidung zwischen Fluiden und festen Körpern ............................ 2 1.2 Systemdefinition ....................................................................................... 3 1.3 Zustandsgrößen ......................................................................................... 5 1.3.1 Spezifisches Volumen, Druck und Temperatur ................................... 5 1.3.1.1 Dichte und spezifisches Volumen .................................................. 5 1.3.1.2 Spezifisches Volumen der Flüssigkeiten ....................................... 6 1.3.1.3 Spezifisches Volumen der Gase und Dämpfe ................................ 7 1.4 Druck ......................................................................................................... 8 1.5 Temperatur ................................................................................................ 9 1.6 Viskosität ................................................................................................. 10 1.6.1 Viskosität Newton'scher Fluide ......................................................... 10 1.6.2 Fließverhalten nicht Newton'scher Fluide ......................................... 13 1.7 Oberflächenspannung ............................................................................. 14 1.7.1 Haftspannungen ................................................................................. 16 1.7.2 Grenzflächendruck (Kapillardruck) .................................................. 17 1.7.3 Kapillarität ......................................................................................... 18 1.8 Problemlösungsmethodik ........................................................................ 21 1.9 Benutzung der Programme ...................................................................... 23
2
Ruhende Fluide .............................................................................. 25
2.1 Ausbildung freier Flüssigkeitsoberflächen ............................................. 2.2 Statischer Druck ...................................................................................... 2.2.1 Erzeugung des hydrostatischen Druckes ........................................... 2.2.1.1 Kolbendruck ................................................................................ 2.2.1.2 Schweredruck .............................................................................. 2.2.2 Kommunizierende Gefäße ................................................................. 2.2.2 Statischer Druck der Atmosphäre (Aerostatik) ................................. 2.2.2.1 Isotherme Schichtung .................................................................. 2.2.2.2 Isentrope Schichtung ................................................................... 2.2.2.3 Normatmosphäre .......................................................................... 2.3 Druckkräfte ............................................................................................. 2.3.1 Druckkräfte auf ebene Wände ........................................................... 2.3.2 Druckkräfte auf gekrümmte Wände .................................................. 2.3.3 Hydrostatisches Paradoxon ............................................................... 2.4 Auftrieb und Schwimmen .......................................................................
25 30 30 30 32 33 36 36 37 38 41 41 41 42 43
X
3
Inhaltsverzeichnis
Bewegte Fluide ............................................................................... 47
3.1 Grundbegriffe .......................................................................................... 3.1.1 Strömungsgeschwindigkeit ............................................................... 3.1.2 Stromlinie, Strömungsfeld ................................................................. 3.2 Sichtbarmachung von Strömungen ......................................................... 3.2.1 Experimentelle Sichtbarmachung ...................................................... 3.2.2 Rechnerische Erfassung von Strömungsfeldern ................................ 3.3 Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltungssatz) ...................................... 3.3.1 Massenstrom und Volumenstrom ......................................................
4
Energieerhaltungssatz ................................................................... 61
4.1 Allgemeiner Energieerhaltungssatz ........................................................ 4.1.2 Energieerhaltung in der Strömung inkompressibler Fluide .............. 4.1.3 Energieerhaltung in Strömungen idealer Fluide ................................ 4.1.4 Der dynamische Druck ...................................................................... 4.2 Anwendung der Bernoulli-Gleichung ..................................................... 4.2.1 Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit .................................... 4.2.2 Bestimmung des Massen- und Volumenstromes ............................... 4.2.3 Berechnung der Ausflussgeschwindigkeit aus einem Behälter ......... 4.2.4 Strahlpumpen ..................................................................................... 4.2.5 Das hydrodynamische Paradoxon ..................................................... 4.2.6 Druckänderung senkrecht zur Strömungsrichtung ............................ 4.2.7 Kavitation ..........................................................................................
5
61 62 62 63 64 64 67 70 74 75 76 77
Impulssatz ...................................................................................... 79
5.1 Impulssatz ............................................................................................... 5.2 Anwendungen des Impulssatzes ............................................................. 5.2.1 Strömungskräfte am Rohrkrümmer ................................................... 5.2.2 Rückstoßkräfte von Flüssigkeitsstrahlen ........................................... 5.2.2.1 Strahlstoßkräfte auf eine senkrechte Wand .................................. 5.2.2.2 Schiefer Stoß gegen eine Wand ................................................... 5.2.2.3 Gerader Stoß gegen eine gewölbte Platte .................................... 5.3 Vereinfachte Propellertheorie .................................................................. 5.3.1 Schub der Strahl- und Raketentriebwerke ......................................... 5.4 Drallsatz .................................................................................................. 5.4.1 Kraftwirkung auf die Laufräder der Strömungsmaschinen ...............
6
47 47 48 49 49 50 50 50
79 82 82 84 86 88 88 89 93 93 95
Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren....... 105
6.1 Einleitung .............................................................................................. 6.2 Ähnlichkeitsgesetze und Kennzahlen ................................................... 6.2.1 Reynoldszahl ................................................................................... 6.2.2 Froudezahl ....................................................................................... 6.2.3 Eulerzahl .......................................................................................... 6.2.4 Modellversuche ...............................................................................
105 106 107 108 108 109
Inhaltsverzeichnis
XI
6.2.5 Strömungsformen ............................................................................. 111 6.2.5.1 Strömungsformen im Rohr ......................................................... 112 6.2.5.2 Strömungsformen an umströmten Körpern ................................ 113 6.2.5.3 Strömung von Flüssigkeiten mit freier Oberfläche .................... 113 6.3 Energiebilanzgleichung reibungsbehafteter Strömung .......................... 114 6.4 Reibungsdruckverlust in Rohren ............................................................ 114 6.4.1 Druckverlust in der laminaren Rohrströmung .................................. 115 6.4.2 Druckverlust in der turbulenten Rohrströmung .............................. 120 6.4.3 Reibungsdruckverlust im Rohr nicht kreisförmigen Querschnitts .. 132 6.4.3.1 Druckverlust der turbulenten Strömung .................................... 132 6.4.3.2 Druckverlust bei laminarer Strömung ....................................... 135 6.5 Navier-Stokes-Gleichungen .................................................................. 141
7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2
8
Druckverlust in Rohrleitungselementen .................................... 145 Allgemeines ........................................................................................... Widerstandszahlen gängiger Rohrleitungselemente ............................. Rohreinläufe .................................................................................... Plötzliche Querschnittserweiterung ................................................. Plötzliche Querschnittsverengung ................................................... Allmähliche Querschnittserweiterung (Diffusor) ............................ Allmähliche Querschnittsverengungen (Konfusor, Düse) .............. Normdrosselorgane ......................................................................... Krümmer (Rohrbogen) .................................................................... Verzweigungen ................................................................................ Andere Rohrleitungselemente ......................................................... Rohrleitungssysteme ............................................................................. Ausströmungsvorgänge ......................................................................... Ausfluss bei konstantem Flüssigkeitsniveau ................................... Ausfluss bei veränderlichem Flüssigkeitsniveau ............................
145 146 146 147 148 150 152 153 154 155 156 156 164 164 166
Strömung kompressibler Fluide ................................................. 167
8.1 Grundlagen ............................................................................................ 8.1.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Druckstörung ......................... 8.1.2 Machzahl ......................................................................................... 8.1.3 Zustandsgrößen der Stagnation ....................................................... 8.2 Adiabate Strömung in Kanälen konstanten Querschnitts ..................... 8.2.1 Energiebilanz der kompressiblen adiabaten Strömung ................... 8.2.2 Spezielle Lösungen der Energiebilanzgleichung ............................ 8.3 Strömung in Kanälen veränderlichen Querschnitts .............................. 8.3.1 Einfluss der Machzahl ..................................................................... 8.3.2 Ausströmung aus einem Behälter .................................................... 8.3.2.1 Ausströmgeschwindigkeit .......................................................... 8.3.2.2 Austretender Massenstrom ........................................................
167 167 169 172 172 173 173 184 184 186 186 187
XII
Inhaltsverzeichnis
8.3.2.3 Kritisches Druckverhältnis ........................................................ 188 8.3.2.4 Kritischer Massenstrom und kritische Geschwindigkeit ........... 190 8.3.2.5 Strömungsvorgänge bei kritischer Strömung ............................ 191 8.3.3 Entleeren eines Behälters ................................................................ 194 8.3.3.1 Isothermes Entleeren eines Behälters ........................................ 194 8.3.3.2 Isentropes Entleeren eines Behälters ......................................... 198 8.4 Überschallströmung .............................................................................. 203 8.4.1 Lavaldüse ......................................................................................... 203 8.4.1.1 Berechnung der Lavaldüsen ...................................................... 204 8.4.1.2 Betriebsverhalten bei veränderlichem Gegendruck ................... 205 8.4.1.3 Konstruktive Gestaltung der Lavaldüsen .................................. 206 8.4.2 Verdichtungsströmung ..................................................................... 208 8.4.2.1 Unterschalldiffusor .................................................................... 208 8.4.2.2 Überschallkonfusor .................................................................... 210
9
Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen ................................ 211
9.1 Einleitung ............................................................................................... 211 9.1.1 Grundlagen ....................................................................................... 211 9.1.1.1 Dampfgehalt und Dampfvolumenanteil ..................................... 211 9.1.1.2 Kontinuitätsgleichung ................................................................ 212 9.1.1.3 Dichte ......................................................................................... 212 9.2 Strömungsformen .................................................................................. 213 9.3 Druckverluste ........................................................................................ 217 9.3.1 Reibungsdruckverlust ...................................................................... 217 9.3.2 Dampfvolumenanteil ....................................................................... 223 9.3.3 Statischer Druckverlust ................................................................... 223 9.3.4 Beschleunigungsdruckverlust .......................................................... 224 9.3.5 Reibungsdruckverluste in Rohrleitungselementen .......................... 224 9.4 Kritischer Durchfluss ............................................................................ 229
10
Umströmte Körper ...................................................................... 235
10.1 Einführung ............................................................................................ 10.2 Strömungswiderstand umströmter Körper ............................................ 10.2.1 Reibungswiderstand ........................................................................ 10.2.2 Druck- oder Formwiderstand .......................................................... 10.2.3 Messung der Widerstandskräfte ...................................................... 10.2.4 Luftwiderstand der Fahrzeuge ......................................................... 10.2.4.1 Luftwiderstand ........................................................................... 10.2.4.2 Auftrieb ...................................................................................... 10.2.4.3 Seitenwindkraft .......................................................................... 10.2.5 Widerstandszahlen der Körper verschiedener Formen ................... 10.2.6 Schwebegeschwindigkeit ................................................................ 10.3 Wirbelablösungen an zylindrischen Körpern ........................................ 10.4 Druckverlust in quer angeströmten Rohrbündeln .................................
235 235 237 238 239 240 241 243 243 244 245 246 249
Inhaltsverzeichnis
10.4.1 Zylindrische glatte Rohre ................................................................ 10.4.2 Zylindrische Rippenrohre ................................................................ 10.5 Tragflügel .............................................................................................. 10.5.1 Einleitung ........................................................................................ 10.5.2 Tragflügeltheorie ............................................................................. 10.5.3 Kräfte am unendlich breiten Tragflügel .......................................... 10.5.4 Induzierter Widerstand .................................................................... 10.6 Umströmung im Überschallbereich ...................................................... 10.6.1 Druck und Temperatur am Staupunkt .............................................. 10.6.2 Widerstand umströmter Körper ....................................................... 10.6.2.1 Ebene, parallel angeströmte dünne Platte .................................. 10.6.2.2 Widerstand räumlicher Körper .................................................. 10.6.2.3 Tragflügel ...................................................................................
11
249 253 256 256 256 257 260 260 261 262 262 263 264
Einführung in nummerische Lösungsmethoden ....................... 265
11.1 Allgemeines ........................................................................................... 11.2 Grundlagen der Strömungsprogramme ................................................. 11.3 Endliche Differenzen-Methode ............................................................. 11.3.1 Gewöhnliche Differentialgleichungen erster Ordnung ................... 11.3.2 Differentialgleichungen zweiter Ordnung .......................................
12
XIII
265 266 266 266 270
Strömungsmesstechnik ................................................................ 275
12.1 Einleitung .............................................................................................. 12.2 Druckmessung ....................................................................................... 12.2.1 Druckmesssystem ............................................................................ 12.2.2 Prinzip der Druckmessung .............................................................. 12.2.3 Druckmessgeräte ............................................................................. 12.2.3.1 Flüssigkeitsmanometer .............................................................. 12.2.3.2 Gewichtsmanometer .................................................................. 12.2.3.3 Federmanometer ........................................................................ 12.2.4 Anordnung der Druckmesssysteme ................................................. 12.2.4.1 Unterkühlte Flüssigkeiten und überhitzte Gase ......................... 12.2.4.2 Gesättigte Fluide ........................................................................ 12.3 Temperaturmessung .............................................................................. 12.3.1 Prinzip der Temperaturmessung ...................................................... 12.3.2 Temperaturmessgeräte ..................................................................... 12.3.2.1 Flüssigkeitsthermometer ............................................................ 12.3.2.2 Bimetallthermometer ................................................................. 12.3.2.3 Ideales Gasthermometer ............................................................ 12.3.2.4 Widerstandsthermometer ........................................................... 12.3.2.5 Thermoelemente ........................................................................ 12.3.3 Anordnung des Temperaturmesssystems ........................................ 12.4 Geschwindigkeitsmessung .................................................................... 12.4.1 Prinzip der Geschwindigkeitsmessung ............................................
275 275 275 277 277 277 281 282 284 285 287 290 290 291 291 292 293 293 294 296 297 297
XIV
Inhaltsverzeichnis
12.4.2 Geschwindigkeitsmessgeräte ........................................................... 297 12.4.2.1 Mechanische Messgeräte ........................................................... 297 12.4.2.2 Staurohre .................................................................................... 298 12.4.2.3 Hitzdraht- und Heißfilmanemometer ......................................... 299 12.4.2.4 Laser-Doppler-Anemometer ...................................................... 300 12.5 Flüssigkeitsstandmessung ..................................................................... 301 12.6 Volumenmessung .................................................................................. 302 12.6.1 Prinzip der Volumenmessung .......................................................... 302 12.6.2 Volumenzähler ................................................................................. 302 12.6.2.1 Trommelzähler ........................................................................... 302 12.6.2.2 Ringkolbenzähler ....................................................................... 303 12.6.2.3 Ovalradzähler ............................................................................. 303 12.6.2.4 Flügelradzähler .......................................................................... 303 12.6.2.5 Woltmanzähler ........................................................................... 304 12.7 Durchflussmessung ............................................................................... 304 12.7.1 Prinzipien der Durchflussmessung .................................................. 304 12.7.2 Durchflussmessmethoden und -geräte ............................................ 305 12.7.2.1 Aus der Messung der Strömungsgeschwindigkeit .................... 305 12.7.2.2 Drosselmessgeräte ..................................................................... 307 12.7.2.3 Schwebekörper-Durchflussmesser ............................................. 311 12.7.2.4 Elektromagnetische Durchflussmessgeräte ............................... 312 12.7.2.5 Ultraschall-Durchflussmessgerät ............................................... 313 12.7.2.6 Tracer-Durchflussmessung ........................................................ 314 12.8 Auswertung von Messungen ................................................................. 315 12.8.1 Fehlerarten ....................................................................................... 316 12.8.1.1 Systematische Fehler ................................................................. 316 12.8.1.2 Zufällige Fehler ......................................................................... 317 12.8.2 Fehlerrechnung ................................................................................ 317 12.8.2.1 Geschätzte Fehler einer Einzelmessung .................................... 317 12.8.2.2 Fehler einer Messreihe ............................................................... 318 12.8.2.3 Mittlerer Fehler des Mittelwerts ................................................ 320 12.8.2.4 Fehlerfortpflanzung ................................................................... 321 12.8.2.5 Der absolute Fehler .................................................................... 322 12.8.3 Angabe der Fehler ........................................................................... 324
Anhang .................................................................................................. 329 A1: A2: A3: A4: A5: A6: A7: A8:
Normatmosphäre ................................................................................... Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Dynamische Viskosität .................... Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Dichte .............................................. Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Schallgeschwindigkeit .................... Stoffwerte des Wassers bei 1 bar Druck ............................................... Dichte der Flüssigkeiten bei 1 bar Druck ............................................. Kinematische Viskosität der Flüssigkeiten bei 1 bar Druck ................. Kinematische Viskosität der Öle bei 1 bar Druck .................................
329 330 331 332 333 334 335 336
Inhaltsverzeichnis
B1: B2: B3: B4: B5: B6: C1:
Temperaturtabellen für Thermoelemente .............................................. Durchflusszahlen für Normdüsen ......................................................... Expansionszahlen für Normdüsen ........................................................ Durchflusszahlen für Normblenden ...................................................... Expansionszahlen für Normblenden ..................................................... Durchflusszahlen für Normventuridüsen .............................................. Liste der Programme .............................................................................
XV 337 338 339 340 341 342 343
Sachverzeichnis .................................................................................... 345 Literaturhinweise ................................................................................. 351
Formelzeichen
Sym- Bezeichnung bol
Einheit
A a a b b c c cA cp
Querschnittsfläche m2 Schallgeschwindigkeit m/s Hilfsgröße, dimensionsloser Rohrabstand senkrecht zur Anströmung – Beite m Hilfsgröße, dimensionsloser Rohrabstand parallel zur Anströmung – Geschwindigkeit m/s Hilfsgröße, dimensionsloser Rohrabstand diagonal zur Anströmung – Widerstandsbeiwert für den Auftrieb – spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck J/(kg K)
cw d, D dh E E e F Fr g H h h j M Md m m m Ma n n P
mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck Luftwiderstandsbeiwert von Fahrzeugen Durchmesser hydraulischer Durchmesser Energie Hilfsgröße (Zweiphasenströmung) spezifische Energie Kraft Froudezahl Erdbeschleunigung Enthalpie spezifische Enthalpie Rippenhöhe spezifische Dissipationsenergie Moment Drehmoment Masse Querschnittsverhälnis d2/D2 der Normdrosselorgane Massenstrom Machzahl Drehzahl, Frequenz Anzahl Rohrreihen Leistung
cp
J/(kg K) – m m J – J/kg N – m/s2 J J/kg m J/kg Nm Nm kg – kg/s – 1/s – W
Formelverzeichnis
p q Q
Druck spezifische Wärme, auf die Masse bezogene Wärme Wärme
Q
Wärmestrom
R Re S s s T t t u V v W w w x x Y y z z
V
Gaskonstante Reynoldszahl Struhalzahl spezifische Entropie Weg, Abstand, Rippendicke absolute Temperatur Rippenabstand Zeit Geschwindigkeit in Umfangsrichtung Volumen Volumenstrom spezifisches Volumen Arbeit spezifische Arbeit relative Geschwindigkeit Weg Massenanteil, Dampfgehalt spezifische Arbeit der Strömungsmaschine Weg geodätische Höhe Realgasfaktor
α α α β β β ε ε δ δ η η ϑ ϕ κ λ ν µ
Dampf- bzw. Gasvolumenanteil Kontraktionszahl Winkel Wärmedehnungskoeffizient Hilfsgröße Winkel Expansionszahl Zweiphasenströmungsparameter nicht totales Differential Winkel dynamische Viskosität Wirkungsgrad Celsius-Temperatur Geschwindigkeitsziffer Isentropenexponent Rohrreibungszahl kinematische Viskosität Ausflusszahl
XVII Pa J/kg J W J/(kg K) – – J/(kg K) m K m s m/s m3 m3/s m3/kg J J/kg m/s m – J/kg m m – – – ° 1/K für Gase, m/K – ° – – – ° kg/(m s) – o C – – – m2/s –
XVIII
π ρ σ τ τ ζ ω
Formelverzeichnis
Druckverhältnis p2/p1 Dichte Oberflächenspannung Schubspannung dimensionslose Zeit t/t0 Widerstandszahl Winkelgeschwindigkeit
Indizes: a Austritt A Auftrieb atm Atmosphärendruck C Zentrifugalkraft dyn dynamischer Druck e Eintritt F Fluid G Gewichtskraft g Gasphase H homogen i i-te Komponente K Körper kin kinetische Energie kr kritisch L lokal l flüssige Phase m meridiane (axiale) Komponente der Geschwindigkeit n Normalkomponente pot potentielle Energie r Vektorkomponente in r-Richtung s isentrop u Umfangskomponente der Geschwindigkeit w Widerstand x Vektorkomponente in x-Richtung y Vektorkomponente in y-Richtung z Vektorkomponente in z-Richtung 0 Bezugszustand, Referenzzustand, Normzustand 0 Stagnationszustand 1,2,3...Zustandspunkt 12, 23...Verlauf der Prozessgrößen
– kg/m3 N/m N/m2 – – 1/s
1
Einleitung und Grundlagen
Dieses Kapitel vermittelt grundlegende Konzepte und Begriffe der Fluidmechanik für Maschinenbau- und Verfahrensingenieure. Die Anwendung des Systembegriffs, welcher aus der Thermodynamik stammt, wird in der Strömungslehre eingeführt. Am Schluss des Kapitels wird die Methodik zur Behandlung von Problemen, die in diesem Buch eingesetzt wird, besprochen.
1.1
Womit beschäftigt sich die Fluidmechanik?
Sie beschäftigt sich mit der Einwirkung der Kräfte auf Fluide, damit diese qualitativ und quantitativ erfasst und behandelt werden können. Dazu benötigt man gewisse Eigenschaften der Fluide und spezifische Messmethoden. Fluide sind gasförmige oder flüssige Kontinua. Im Gegensatz zu festen Körpern können sie ihre Form leicht verändern und Teile von ihnen bewegen sich unter Krafteinwirkung relativ zueinander. Im Vergleich zur Mechanik starrer Körper ist dies für die meisten Studierenden etwas schwerer verständlich. Fluidmechanik (fluid mechanics) kann in verschiedene Untergebiete aufgeteilt werden: Die Hydrodynamik (hydrodynamics) befasst sich mit bewegten Fluiden, deren Dichte zumindest angenähert als konstant betrachtet werden kann. Die Gasdynamik (gasdynamics) behandelt bewegte Fluide, deren Dichte sich bei den beobachteten Vorgängen verändert. Bei ruhenden Flüssigkeiten spricht man von Hydrostatik (hydrostatics), bei ruhenden Gasen von Aerostatik (aerostatics). Die Strömungslehre ist für Maschinenbau-, Verfahrens-, Bau-, Flugzeug- und Raumfahrtingenieure von Bedeutung. In diesem Buch wird hauptsächlich auf die Bedürfnisse des Maschinenbau- und Verfahrensingenieurs eingegangen. Der behandelte Stoff soll Grundlagen zur Berechnung von Strömungsmaschinen, Widerständen in Rohrleitungen, Ein- und Ausströmvorgängen und Widerständen angeströmter Körper liefern. Bauingenieure dagegen beschäftigen sich mehr mit statischen Vorgängen (Hydrostatik) und der Strömung von Flüssigkeiten mit offener Oberfläche (Flüsse). Auf diese Gebiete wird nur sporadisch eingegangen. Für die Berechnungen werden folgende Erhaltungssätze verwendet: Massenerhaltungssatz, Impulserhaltungssatz, Energieerhaltungssatz und Drallsatz. Diese Sätze geben an, wie und in welchem Umfang verschiedene Energieformen umgewandelt werden und welche Kräfte durch Impulsänderungen entstehen. In der Praxis werden die Prinzipien der Strömungslehre mit anderen technischen Wissenschaften (Thermodynamik, Mechanik, Werkstoffkunde etc.) zur Verbesserung der Produkte angewendet. Dabei stehen im Vordergrund:
2
1 Einleitung und Grundlagen
• • • •
Erhöhung des Wirkungsgrades sparsamer Einsatz der Energieressourcen Reduktion der Umweltbelastung Reduktion der totalen Kosten.
In Tabelle 1.1 sind Anwendungsgebiete der Strömungslehre für Maschinenbauund Verfahrensingenieure aufgelistet. Tabelle 1.1: Anwendungsgebiete der Strömungslehre
Verbrennungsmotoren Gas- und Dampfturbinen Propeller- und Strahltriebwerke Windkraftwerke Pumpen und Kompressoren Heizungs- und Lüftungsanlagen Strömungen in Rohrleitungssystemen mechanische Trennverfahren Wärmeübertrager Flugzeugtragflügel Widerstände von Fahrzeugen
1.2
combustion engines gas and steam turbines propeller and jet propulsion engines wind power pumps and compressors heating and ventilating systems flow in piping networks mechanical separation processes heat exchanger airplane wings drag coefficients of automotive vehicles
Unterscheidung zwischen Fluiden und festen Körpern
Fluide besitzen im Gegensatz zu festen Körpern die Eigenschaft, dass sich ihre Teilchen durch die Einwirkung von Schub- oder Druckkräften leicht verschieben lassen. Flüssigkeiten haben in einem breiten Bereich die Eigenschaft, dass sich ihre Dichte auf eine Druckeinwirkung nur geringfügig und meistens vernachlässigbar verändert. Damit können Flüssigkeiten in der Regel als inkompressible Fluide behandelt werden. Eine Flüssigkeit nimmt den ihr zugeordneten Raum entsprechend der Oberflächenkräfte und anderer auf sie einwirkenden Kräfte ein. In einem ruhenden Glas füllt Wasser entsprechend seines Volumens das Glas anteilmäßig aus. Durch die Schwerkraft wird die Oberfläche eine waagerechte Ebene bilden, wegen der Oberflächenkräfte entsteht am Rand eine leichte Krümmung nach oben. Lässt man das Glas rotieren, entsteht durch die Wirkung der Zentrifugalkraft eine parabelförmige Oberfläche. Bei Schwerelosigkeit verteilt sich die Flüssigkeit im ganzen Raum als Tröpfchen oder haftet an einer Oberfläche. Ein Gas dagegen nimmt immer den ganzen ihm zur Verfügung stehenden Raum ein. Gase verändern infolge des Druckes und der Temperatur ihre Dichte, sie sind kompressible Fluide. Gase und Flüssigkeiten können reine Stoffe, nur bestehend aus den gleichen Molekülen oder Gemische aus mehreren Stoffen sein. Bei reinen Stoffen kann anhand der Dampf-, Schmelz- und Sublimationsdruckkurven zwischen den Aggregatzu-
1 Einleitung und Grundlagen
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ständen fest, flüssig oder gasförmig unterschieden werden. Der Aggregatzustand hängt von der Temperatur und dem Druck des Stoffes ab. Bild 1.1 zeigt das DruckTemperatur-Diagramm eines reinen Stoffes. p Schmelzdruckkurve kritischer Punkt
fest
gasförmig
Druck
flüssig
Dampfdruckkurve Tripelpunkt Sublimationsdruckkurve Temperatur
T
Bild 1.1: Aggregatzustände eines reinen Stoffes
Die Dampf-, Schmelz- und Sublimationsdruckkurven grenzen die Aggregatzustände ab. Die Schmelzdruckkurve trennt zwischen fest und flüssig, die Dampfdruckkurve zwischen flüssig und gasförmig und die Sublimationsdruckkurve zwischen fest und gasförmig. Je nach Temperatur und Druck ist ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig. Hat ein Stoff bei einem bestimmten Druck die Temperatur, die auf der Schmelzdruckkurve liegt, kann er fest und flüssig sein (Eis im Wasser). Auf der Dampfdruckkurve kann er flüssig und gasförmig (kochendes Wasser und Dampf) und auf der Sublimationsdruckkurve fest und gasförmig sein (Trockeneis). Am Tripelpunkt können gleichzeitig alle drei Aggregatzustände auftreten. Oberhalb des kritischen Punktes kann zwischen flüssig und gasförmig nicht unterschieden werden. Bei Stoffgemischen können sich mit ändernder Temperatur und Druck die Zusammensetzung der Stoffe in der flüssigen und gasförmigen Phase verändern.
1.2
Systemdefinition
Bei jeder technischen Analyse ist die klare Definition des untersuchten Gegenstandes ein wichtiger Schritt. In der Mechanik ist bei der Untersuchung des Gleichgewichts oder bei der Bewegung eines starren Körpers stets das Freimachen der (des) Körper(s) notwendig. Der Körper wird von der Umgebung isoliert. Bindungen werden durch Kräfte und Momente ersetzt. Wie in der Thermodynamik wird auch in der Strömungslehre an Stelle des freigemachten Körpers das System verwendet [1.1]. Es besteht aus einem Fluid, das durch eine Fläche, die Systemgrenze, eingeschlossen ist. Diese kann ortsfest oder beweglich, bezüglich des Transfers von Masse und Energie geschlossen oder offen sein.
4
1 Einleitung und Grundlagen
Wir sprechen von einem geschlossenen System, wenn die Systemgrenze für den Transfer von Masse geschlossen ist. In einem geschlossenen System ist die Masse des Systems stets konstant. Beispiele geschlossener Systeme sind eine Gasflasche oder ein mit Wasser gefülltes Glas. In der Strömungslehre kommen geschlossene Systeme nur bei der Hydro- oder Aerostatik vor. Die Systemgrenze eines offenen Systems ist für den Transfer von Masse offen. Dabei kann im betrachteten System die Masse selbst konstant sein oder sich verändern. In ein Rohr z. B. strömt am Eintritt eine Flüssigkeit konstanter Dichte ein und verlässt es am Austritt. Im betrachteten Abschnitt des Rohres ist die Masse des Fluids konstant, aber bedingt durch die Strömung wird Masse in das Rohr hinein und heraus befördert. Beim Entleeren einer Gasflasche oder Füllen eines Bassins ändert sich die Masse des betrachteten Systems. Systemgrenze
Systemgrenze 1
a)
b)
Austritt
c) Eintritt Systemgrenze
Eintritt
2
1
Systemgrenze
d) Austritt
2
Bild 1.2: Verschiedene Systeme a) geschlossenes System mit konstanter Flüssigkeitsmasse b) System a in Rotation versetzt c) offenes System, Rohrleitung d) offenes System, Füllen und Leeren eines Bassins
In Bild 1.2 werden verschiedene Systeme mit ihren Grenzen dargestellt. a) und b) zeigen einen Behälter mit konstanter unveränderlicher Flüssigkeitsmasse. Durch Rotation des Behälters verändert sich der Verlauf der Systemgrenze. c) und d) stellen zwei offene Systeme dar. System c) ist der Abschnitt eines Rohres, in dem z. B. eine Flüssigkeit mit konstanter Dichte strömt. In diesem Fall ist die Masse des Fluids innerhalb der Systemgrenzen konstant, obwohl die abströmende Masse laufend durch zuströmende ersetzt wird. System d) ist ein offener Behälter, der durch einen Zulauf mit Flüssigkeit gespeist und dem Flüssigkeit durch einen Ablauf entnommen wird. Je nach Strömungsbedingungen ist im Behälter die Masse der Flüssigkeit konstant oder veränderlich. In einem geschlossenen System befindet sich innerhalb der Systemgrenzen stets dieselbe Masse des Fluids. Damit ist das System durch seine Masse ebenfalls definiert. In offenen Systemen ist die Definition der Masse nicht immer möglich und sinnvoll. Der von der Systemgrenze eingeschlossene Raum wird Kontrollraum (control volume) genannt.
5
1 Einleitung und Grundlagen
Durch problemangepasste Festlegung der Systemgrenzen können Analysen einfacher durchgeführt werden. Dies wird in den nachfolgenden Kapiteln anhand von Beispielen demonstriert.
1.3
Zustandsgrößen
Die Eigenschaften der Fluide werden durch Zustandsgrößen beschrieben. Zustandsgrößen, die massen- bzw. volumenabhängig sind, werden als extensive, jene auf Masseneinheit bezogene als intensive Zustandsgrößen bezeichnet. 1.3.1
Spezifisches Volumen, Druck und Temperatur
Drei Zustandsgrößen sind von besonderer Bedeutung: Das spezifische Volumen, der Druck und die Temperatur, die als thermische Zustandsgrößen bezeichnet werden. In diesem Abschnitt wird auf die Dichte, in Abschnitt 1.4 auf den Druck und in Abschnitt 1.5 auf die Temperatur eingegangen. 1.3.1.1
Dichte und spezifisches Volumen
Bei den hier behandelten Fluiden gilt die Annahme, dass die Stoffe als Kontinua betrachtet werden dürfen. Damit ist es möglich, von Zustandsgrößen „an einem Punkt“ zu sprechen. Die Dichte (density) an einem Punkt ist definiert durch:
U
§ 'm · lim ¨ ¸ © 'V ¹
'V o 'V'
(1.1)
Dabei ist ∆V' das kleinste Volumen, für das ein definierter Quotient ∆m/∆V existiert, d. h., ∆V' enthält eine genügende Anzahl Partikel für ein statistisches Mittel. Somit ist ∆V' das kleinste Volumen, für das die Substanz noch als Kontinuum betrachtet werden kann. Mathematisch ist die Dichte eine kontinuierliche Funktion des Ortes und der Zeit. Für eine Phase vereinfacht sich die Definition der Dichte; der durch Gl. (1.1) definierte Grenzübergang ist wegen der Homogenität nicht erforderlich. Eine Phase hat in einem gegebenen Zustand nur eine Dichte. Man kann in diesem Fall direkt schreiben:
U
m V
Das spezifische Volumen (specific volume) ist als Kehrwert der Dichte definiert. v
1
U
(1.2)
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1 Einleitung und Grundlagen
Das spezifische Volumen v ist wie die Dichte ρ eine Zustandsgröße mit der Einheit m3/kg. Dichte und spezifisches Volumen sind Zustandsgrößen der Fluide, die von Temperatur und Druck abhängen. Für ein Fluid existiert eine Funktion: F ( p, T , v )
0
(1.3)
Die Änderung des spezifischen Volumens infolge Temperatur- oder Druckänderung kann damit angegeben werden als: § wv · § wv · ¨ ¸ dT ¨¨ ¸¸ dp © wT ¹ p © wp ¹T
dv
(1.4)
Mit den partiellen Ableitungen werden die auf das spezifische Volumen bezogenen isobaren Wärmedehnungskoeffizienten β0 und isothermen Kompressibilitätskoeffizienten κ0 gebildet.
E0
1 § wv · ¨ ¸ v 0 © wT ¹ p
(1.5)
N0
1 v0
(1.6)
§ wv · ¨¨ ¸¸ © wp ¹ T
Dabei ist v0 das spezifische Volumen bei einer Bezugstemperatur T0 und einem Bezugsdruck p0. In den meisten Fällen wird der physikalische Normzustand bei der Temperatur von 0 oC und einem Druck von 1,01325 bar als Bezugspunkt gewählt. Es können aber auch andere Bezugspunkte festgelegt werden. Die Wärmedehnungs- und Kompressibilitätskoeffizienten sind wiederum temperatur- und druckabhängig. In vielen Tabellen sind diese Koeffizienten ohne Vorzeichen angegeben. Dann ist zu beachten, dass eine positive Druckänderung eine Abnahme, die positive Temperaturänderung eine Zunahme des spezifischen Volumens bewirken. 1.3.1.2
Spezifisches Volumen der Flüssigkeiten
Bei Flüssigkeiten sind der isobare Wärmedehnungskoeffizient und der isotherme Kompressibilitätskoeffizient in weiten Bereichen nur geringfügig von der Temperatur und dem Druck abhängig. Damit kann das spezifische Volumen als linearer Ansatz aus den Gln. (1.4) bis (1.6) bestimmt werden. v
v0 >1 E 0 (T T0 ) N 0 ( p p0 )@
(1.7)
Bei kleinen Druckänderungen ist der Einfluss des Druckes bei den meisten Flüssigkeiten vernachlässigbar, berücksichtigen muss man nur die Änderung des spezifischen Volumens mit der Temperatur. v
v0 >1 E 0 (T T0 )@
(1.8)
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1 Einleitung und Grundlagen
Bei genauen Berechnungen sind entsprechende Formeln und Tabellen für die jeweilige Flüssigkeit zu verwenden (z. B. für Wasser die Wasser-Wasserdampftafel [1.3]). 1.3.1.3
Spezifisches Volumen der Gase und Dämpfe
Gase und Dämpfe haben ein vom Druck und von der Temperatur stark abhängiges spezifisches Volumen. Bei Gasen nehmen ideale Gase eine Sonderstellung ein. Dort wird angenommen, dass Moleküle Massenpunkte (Moleküle ohne räumliche Ausdehnung) sind und keine gegenseitigen Anziehungskräfte ausüben. Für ideale Gase gilt folgende Zustandsgleichung: v
R T p
(1.9)
Dabei ist R die Gaskonstante des entsprechenden Gases. Viele Gase lassen sich bei nicht allzu grossen Drücken mit sehr guter Genauigkeit als ideales Gas behandeln. Bei hohen Drücken und bei Temperaturen, die nahe der Dampfdruckkurve liegen, wird Gl. (1.9) ungenau. Das Verhalten realer Gase berücksichtigt man durch den Realgasfaktor z, der von der Temperatur und vom Druck abhängig ist. v
z R T p
(1.10)
Tabellierte Werte und Diagramme des Realgasfaktors können z. B. aus [1.1, 1.2 und 1.4] entnommen werden. Die Dichte einiger Fluide sind in den Tabellen A2, A5 und A6 angegeben oder können mit dem Programm FMA0101 (siehe Abschnitt 1.9) berechnet werden. BEISPIEL 1.1: Dichte der Luft Bestimmen Sie die Dichte der Luft bei einem Druck von 0,98 bar und der Temperatur von 20 °C. Die Gaskonstante der Luft beträgt 287,1 J/(kg K). Lösung Annahme •
Die Luft ist ein ideales Gas.
Analyse Die Dichte wird mit Gl. (1.9) als Kehrwert des spezifischen Volumens berechnet.
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1 Einleitung und Grundlagen
U
p R T
0,98 10 5 N kg K 287,1 293,15 m 2 J K
1,164
kg m3
Diskussion Die Berechnung der Dichte idealer Gase ist sehr einfach. Es ist zu beachten, dass die richtigen Einheiten verwendet werden, in unserem Fall der Druck also in Pa bzw. in N/m2 und die Temperatur als absolute Temperatur in Kelvin.
1.4
Druck
In einem ruhenden Fluid wirkt auf die beliebig orientierte Fläche ∆A die Normalkraft ∆Fnormal. Der Druck (pressure) ist definiert durch: p
§ 'F · lim ¨ normal ¸ © 'A ¹
'V o 'A'
Dabei hat im Grenzübergang ∆A' dieselbe Bedeutung wie ∆V' bei der Definition der Dichte. Wenn die Orientierung des Flächenelements ∆A' im betrachteten Punkt geändert wird, bleibt der Druck derselbe, solange sich das Fluid in Ruhe befindet (hydrostatischer Spannungszustand). Der Druck p kann aber von Ort zu Ort variieren. Beispiel: Abnahme des Atmosphärendruckes mit der Höhe über Meer. Bei einem bewegten Fluid wirken auf ein Flächenelement nicht nur der Druck als Normalspannung (normal stress), sondern im Allgemeinen auch Schubspannungen (shear stresses). Die Beträge dieser Spannungen verändern sich mit der Orientierung des Flächenelements. Die Einheit des Druckes ist N/m2 oder Pascal Pa. In der Technik wird immer noch die Einheit bar verwendet. Andere noch gebräuchliche Einheiten sind Torr = mm Hg (Millimeter Quecksilbersäule), mm WS (Millimeter Wassersäule) oder physikalische Atmosphäre atm. Die früher übliche Einheit Atmosphäre at sollte nicht mehr verwendet werden. In den USA werden die Einheiten psi (pound per square inch), psf (pound per square foot), in. Hg (inch mercury column) oder in. WG (inch watergauge) verwendet. In nachstehender Tabelle sind Umrechnungsfaktoren für die Druckeinheiten angegeben.
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1 Einleitung und Grundlagen
Tabelle 1.2: Umrechnung der Druckeinheiten
1 bar 1 atm 1 at 1 mm WS 1 psi 1 psf in. Hg in. WG
105 Pa 1,01325 105 Pa 0,980665 . 105 Pa 9,80665 Pa 6'894,74 Pa 47,8802 Pa 3'386,39 Pa 249,09 Pa .
750,06 Torr 760 Torr 735,56 Torr 0,073556 Torr 51,7148 Torr 0,35913 Torr 25,4 Torr 1,86832 Torr
10'197,2 mm WS 10'332,3 mm WS 10'000,0 mm WS 703,068 mm WS 48,824 mm WS 345,316 mm WS 25,4 mm WS
Drücke sind hier stets als Absolutdrücke zu verstehen und als solche auch in Zustandsgleichungen zu verwenden, es sei denn, es wird explizit auf eine andere Festlegung hingewiesen. Gewisse Druckmessgeräte zeigen die Differenz zwischen dem absoluten Druck und Atmosphärendruck an. Man unterscheidet: Überdruck (gage pressure) Unterdruck (vacuum pressure)
pÜberdruck = pabsolut – patm absolut pUnterdruck = patm absolut – pabsolut
Diese Beziehungen sind in Bild 1.3 dargestellt. Druck über Atmosphärendruck p absolut p
Überdruck
Atmosphärendruck p atm absolut
p
absolut
pUnterdruck Druck unter Atmosphärendruck p
p
atm absolut
p
absolut
absolut
p =0
Bild 1.3: Beziehungen zwischen Absolutdruck, Atmosphärendruck, Überdruck und Unterdruck [1.1]
1.5
Temperatur
Bei der Behandlung strömungstechnischer Probleme ist die Temperatur nur für die Bestimmung der Stoffwerte und Zustände notwendig. Sie ist eine von der Masse des Stoffs unabhängige intensive Zustandsgröße. Die Temperaturen werden hier entwe-
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1 Einleitung und Grundlagen
der in Grad Celsius °C (degree C) oder in Kelvin angegeben. Die Temperaturen der empirischen Celsiusskala werden mit dem Symbol ϑ, die Absoluttemperaturen mit dem Symbol T bezeichnet. Es ist wichtig, die richtigen Temperatureinheiten zu verwenden. Bei idealen Gasen muss z. B. zur Bestimmung des spezifischen Volumens nach Gl. (1.9) die absolute Temperatur eingesetzt werden.
1.6
Viskosität
Wird ein Körper in einem Fluid oder ein Fluid in einem geschlossenen Kanal bewegt, muss für diese Bewegung eine Kraft aufgebracht werden, die den Reibungswiderstand überwindet. Geht die Geschwindigkeit gegen null, verschwindet auch die Kraft. Die Reibung wird durch die Bewegung der Fluidschichten zueinander und durch Reibung an der Oberfläche des Körpers oder an der Kanalwand, also im Inneren des Fluids, verursacht. Wird ein Körper in einem ruhenden Fluid bewegt, hat das Fluid direkt an der Oberfläche des Körpers die gleiche Geschwindigkeit wie der Körper. Von dort ausgehend nimmt die Geschwindigkeit zunehmend mit der Entfernung auf null ab. Die Fluidschichten in der Nähe des Körpers haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Bei der Strömung eines Fluids durch ein Rohr ist die Geschwindigkeit an der Rohrwand gleich null, zur Rohrmitte hin nimmt sie zu. In beiden Fällen haben verschiedene Schichten des Fluids unterschiedliche Geschwindigkeiten und verschieben sich dadurch. Bei diesem Vorgang entstehen tangentiale Reibungsspannungen. Die Größe dieser Reibungsspannungen hängt von der Verschiebungsgeschwindigkeit und vom verwendeten Fluid ab. Die Stoffeigenschaft, die die Reibungsspannung beeinflußt, ist die Viskosität. In der technischen Strömungslehre werden zur Beschreibung der Reibungsvorgänge die dynamische Viskosität η und kinematische Viskosität ν verwendet. Je nach Fließverhalten teilt man Fluide in Newton'sche und nicht Newton'sche Fluide auf. Bei Newton'schen Fluiden ist die Viskosität des Fluids unabhängig von der Geschwindigkeit. Die Messung der Viskosität wird Viskosimetrie, die Beschreibung des Fließverhaltens Rheologie genannt. 1.6.1
Viskosität Newton'scher Fluide
Newton'sche Fluide zeichnen sich dadurch aus, dass die Viskosität von der Geschwindigkeit unabhängig ist und dass das Fluid bei der kleinsten auf es wirkenden tangentialen Kraft zu fließen beginnt. Dieses kann man am Beispiel eines Fluids demonstrieren, das sich zwischen einer ebenen Platte und einem dazu parallel verlaufenden und beweglichen Band befindet (Bild 1.4). Der Abstand der Platte zum Band ist s, die Fläche des Bandes, die das Fluid berührt, A. Die Platte ist fest, d. h., sie kann nicht bewegt werden. Übt man auf das Band eine tangentiale Kraft F aus, wird es sich gegenüber der Platte nach einiger Zeit mit konstanter Geschwindigkeit c bewegen. Zwischen Platte und Band entsteht ein lineares Geschwindigkeitsprofil.
1 Einleitung und Grundlagen
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Nach Newton verhält sich die Tangentialkraft F proportional zur Geschwindigkeit c und Fläche A, umgekehrt proportional zum Abstand s. F ~ c A/ s
(1.11)
F
c
y
Band
cx (y)
x
Fluid
ortsfeste Platte
Bild 1.4: Fluidschicht zwischen bewegtem Band und ruhender Platte
Der Proportionalitätsfaktor wird vom verwendeten Fluid und dessen Zustand bestimmt und dynamische Viskosität η genannt. c (1.12) s Die pro Flächeneinheit wirkende Tangentialkraft wird als Schubspannung τ bezeichnet. Mit ihr kann der Newton'sche Schubspannungsansatz unabhängig von der Größe der Fläche A angegeben werden: F
K A
c (1.13) s Die für die gesamte Strömung zwischen der Platte und dem Band formulierte Aussage gilt auch für einen differentiellen kleinen Bereich im Strömungsraum. An Stelle des Quotienten aus der Geschwindigkeit c und dem Plattenabstand s tritt nun die Ableitung der Geschwindigkeit in der x-Richtung nach dem Weg in y-Richtung. Damit wird die Schubspannung:
W
W xy
K
K
dc x dy
(1.14)
Gl. (1.14) gilt natürlich für alle Geschwindigkeits- und Schubspannungskomponenten. Die Einheit der dynamischen Viskosität ist Pa . s oder kg/(m . s). Die früher üblichen Einheiten Poise (P) oder Centipoise (cP) sind seit Einführung der SI-Einheiten vom 1.1.1978 nicht mehr zulässig. Die kinematische Viskosität ν wird nach Maxwell als Quotient aus dynamischer Viskosität η und Dichte ρ definiert.
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Q
K U
(1.15)
Die Einheit der kinematischen Viskosität ist m2/s. Die früher gebrauchte Einheit Stokes ist seit Einführung der SI-Einheiten nicht mehr erlaubt. Die Viskositäten einiger Fluide sind im Anhang A2, A5 und A7 bis A10 angegeben oder können mit dem Programm FMA0101 berechnet werden. Bei Newton'schen Fluiden ist die Schubspannung in Richtung der Geschwindigkeitskomponenten proportional zum senkrechten Gradienten der Geschwindigkeit. Der Proportionalitätsfaktor ist die dynamische Viskosität. Sie ist abhängig von der Temperatur und vom Druck. Bei Flüssigkeiten und Gasen ist die Temperaturabhängigkeit der dynamischen Viskosität unterschiedlich. Bei Flüssigkeiten nimmt sie wegen Abnahme der zwischenmolekularen Adhäsionskräfte mit zunehmender Temperatur ab. Bei Gasen dagegen steigt sie wegen zunehmender Geschwindigkeit der Moleküle und dem damit verbundenen verstärkten Impulsaustausch bei Zunahme der Temperatur an. Die Druckabhängigkeit der dynamischen Viskosität macht sich erst bei hohen Drücken bemerkbar. Ihre starke Temperaturabhängigkeit verursacht in der Regel auch eine verstärkte Druckabhängigkeit. Bei Gasen ist die Dichte beinahe proportial zum Druck und die kinematische Viskosität ändert sich somit entsprechend. BEISPIEL 1.2: Bestimmung der Viskosität eines Fluids aus der Gleitgeschwindigkeit Auf einer schiefen Ebene mit der Neigung von 20° gleitet eine quadratische Stahlplatte mit einer Kantenlänge von 0,4 m auf einem Ölfilm mit der Geschwindigkeit von c = 0,1 m/s herunter. Die Dicke des Ölfilms ist 1 mm. Die Platte wiegt 1,28 kg. Bestimmen Sie die dynamische Viskosität des Öls. Lösung
m
Siehe Skizze
C 20°
Annahmen • •
m
Der Newton'sche Schubspannungsansatz ist gültig. Effekte am Rand der Platte können vernachlässigt werden.
Analyse Die Gl. (1.13) umgeformt, ergibt:
1m
Schema
m 400
K
W s c
13
1 Einleitung und Grundlagen
Schubspannung τ ist die Komponente der Gewichtskraft parallel zur schiefen Ebene, geteilt durch die Fläche der Platte. m g sin D 1,28 kg 9,806 m/s2 sin(20q) a2 0,42 m 2 Damit ist die dynamische Viskosität:
W
K
W s c
26,83 N/m 2 0,001 m 0,1 m/s
0,268
26,83
N m2
kg m s
Diskussion Aus dem Gleitverhalten einer Masse bei bekannter Kraft kann die Viskosität unter Vernachlässigung von Randeffekten und unter der Annahme des Newton'schen Schubspannungsansatzes einfach bestimmt werden. In Viskosimetern werden Sinkgeschwindigkeiten von Körpern zur Bestimmung der Viskosität verwendet. 1.6.2
Fließverhalten nicht Newton'scher Fluide
Fluide, deren Fließverhalten nicht mit dem Newton'schen Schubspannungsansatz beschrieben werden können, sind nicht Newton'sche Fluide. Diese fangen erst nach Anwendung einer bestimmten großen Kraft an zu fließen und/oder die Viskosität des Fluids verändert sich mit den Geschwindigkeitsgradienten. Gase sind immer Newton'sche Fluide. Bei Flüssigkeiten wird nach drei Klassen nicht Newton'scher Fluide unterschieden (DIN 13342): •
Nicht linear-reinviskose Flüssigkeiten fangen zwar bei kleinster einwirkender Kraft an zu fließen, aber die Viskosität der Flüssigkeit verändert sich mit der Schubspannung bzw. dem Geschwindigkeitsgradienten.
•
Linear-viskoelastische Flüssigkeiten verhalten sich bei kleinen Schubspannungen wie elastische Körper und fangen erst beim Erreichen einer bestimmten Schubspannung (Fließgrenze) an zu fließen. Nach Erreichen der Fließgrenze bleibt die Viskosität der Flüssigkeit konstant. Diese Flüssigkeiten werden Bingham-Körper genannt.
•
Nicht linear-viskoelastische Flüssigkeiten verhalten sich bei kleinen Schubspannungen wie elastische Körper und fangen erst beim Erreichen einer bestimmten Schubspannung (Fließgrenze) an zu fließen. Nach Erreichen der Fließgrenze verändert sich die Viskosität der Flüssigkeit mit der Schubspannung bzw. mit dem Geschwindigkeitsgradienten.
Beim Abweichen vom Newton'schen Fließverhalten spricht man von Fließanomalien. Zum Vergleich ist in Bild 1.5 das Fließverhalten von Flüssigkeiten zu Newton'schen Fluiden dargestellt.
14
ela s
tis
ch
eF
lü s
s ig
ke it
1 Einleitung und Grundlagen
ko v is ar ne t li nic h
Schubspannung
r
eit igk ss ü l F g se Bi n ko vis n i re ar id ne t li Flu h es nic ch s ' on wt Ne
Kö mha
rpe
Geschwindigkeitsgradient
Bild 1.5: Fließverhalten von Flüssigkeiten
1.7
Oberflächenspannung
In einer ruhenden, homogenen Flüssigkeit ziehen sich benachbarte Teilchen mit gleich starker Anziehungskraft (Kohäsionskraft) an. Diese Kräfte halten sich im Gleichgewicht und zeigen nach außen keine Wirkung. Flüssigkeitsteilchen, die an der Grenzfläche mit einem anderen Fluid oder Festkörper in Kontakt sind, erfahren unterschiedlich große Anziehungskräfte. Dies wird besonders an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas deutlich. Die sich an der Grenzfläche der Flüssigkeit befindenden Moleküle werden von jenen im Inneren angezogen, die Gasmoleküle üben dagegen fast keine Kraft aus. Wirkt keine andere Kraft auf die Flüssigkeit, versuchen diese nach innen gerichteten Kräfte (Kohäsionskräfte) die Oberfläche möglichst klein zu halten. Die kleinste Oberfläche wird durch eine Kugel realisiert. Dies kann an Tropfen- oder Blasenbildung sehr schön beobachtet werden. Die Spannung an der Oberfläche, verursacht durch nach innen wirkende Kräfte, wird Oberflächenspannung genannt. b
s
ds F
Bild 1.6: Oberflächenspannung eines Flüssigkeitsfilms
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1 Einleitung und Grundlagen
Sie ist klein und nimmt mit steigender Temperatur der Flüssigkeit ab. Minimalste Verunreinigungen der Flüssigkeit können eine sehr starke Veränderung der Oberflächenspannung verursachen. Die Oberflächenspannung σ läßt sich am Beispiel einer gespannten Flüssigkeitshaut einfach herleiten. Aus Erfahrung ist bekannt, dass an einem kleinen Ring, der ins Wasser eingetaucht und dann vorsichtig herausgezogen wird, eine dünne Wasserhaut entsteht. Zur Messung der Oberflächenspannung kann nun ein U-förmiger Drahtbügel (Bild. 1.6), an dessen beiden Schenkeln ein beweglicher Draht angebracht ist, verwendet werden. Wird der Bügel in Flüssigkeit getaucht, entsteht beim Herausnehmen ein Flüssigkeitsfilm. Übt man die Kraft F auf den beweglichen Draht aus, dehnt sich der Film um die Länge ds. Der Abstand der Schenkel beträgt b. Die Arbeit, die zur Vergrößerung der Oberfläche benötigt wird, ist: dW
V dO V 2 b ds
(1.16)
F ds
Da wir auf beiden Seiten des Flüssigkeitsfilms eine Oberfläche haben, muss das entsprechend berücksichtigt werden. Für die Oberflächenspannung ergibt das:
V
dW dO
F 2b
(1.17)
Die Einheit der Oberflächenspannung ist N/m. Wie schon erwähnt, ist die Oberflächenspannung an der Grenze zwischen Flüssigkeiten und Gasen besonders ausgeprägt. Bei nicht allzu hohen Drücken hat das Gas nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Oberflächenspannung. Bei sehr hohen Drücken befinden sich beinahe so viele Gas- wie Flüssigkeitsmoleküle pro Volumeneinheit und das Gas beinflusst dadurch auch die Oberflächenspannung. Sie ist am kritischen Punkt zwischen Flüssigkeit und Dampf gleich null. In Tabelle 1.3 sind die Oberflächenspannungen einiger Flüssigkeiten aufgelistet. Tabelle 1.3: Oberflächenspannung einiger Flüssigkeiten
Flüssigkeit
Wasser
Alkohol Speiseöl Quecksilber Ammoniak Blei
Oberflächenspannung σ N/m
Temperatur ϑ °C
0,0728 0,0679 0,0588 0,0378 0,0144 0,0280 0,025 bis 0,03 0,4700 bis 0,4900 0,0420 0,4420
20 50 100 200 300 20 20 20 –29 350
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1 Einleitung und Grundlagen
1.7.1
Haftspannungen
An den Berührungsstellen der Fluide mit festen Wänden entstehen Haftspannungen, an jenen nicht mischbarer Fluide Grenzflächenspannungen. Abhängig von der Größe dieser Spannungen bilden sich verschiedene Formen der Oberfläche. An den Grenzflächen treten folgende Oberflächenspannungen auf:
σ12 Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Gas σ13 Oberflächenspannung zwischen Gas und Wand σ23 Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Wand. Bild 1.7 zeigt verschiedene Formen der Benetzung. Die Flüssigkeitsoberfläche bildet mit der festen Wand einen Winkel α, der Benetzungswinkel (Randwinkel, Kontaktwinkel) genannt wird. Am Berührungspunkt herrscht das folgende Spannungsgleichgewicht:
V 12 cos D
V 13 V 23
(1.18)
Damit ist der Winkel α:
V 13 V 23 V 12
cos D
(1.19)
Nach der Größe des Benetzungwinkels kann zwischen zwei Bereichen unterschieden werden: Steigt die Flüssigkeit an den Randzonen an, spricht man von einem benetzenden (hydrophilen) Verhalten. In diesem Fall ist σ13 > σ23, der Benetzungswinkel ist kleiner als 90°. Sinkt die Flüssigkeit an den Randzonen, besteht ein nicht benetzendes (hydrophobes) Verhalten. In diesem Fall ist σ13 < σ23, der Benetzungswinkel ist größer als 90°. V 13 V12
Gas
V13
D
Gas
V 23 D
V 12
Flüssigkeit
Flüssigkeit
V 23
Bild 1.7: Bildung des Benetzungswinkels
Die Differenz der Spannungen σ13 und σ23 heißt Haftspannung. Wird sie größer als die Oberflächenspannung σ12, entsteht ein Benetzungswinkel von α = 0°, die ganze Oberfläche wird benetzt. Bei diesen Betrachtungen ist der Einfluss der Schwerkraft, die auch bei der Ausbildung der Oberfläche eine Rolle spielt, unberücksichtigt. Eine senkrechte Wand kann von einer Flüssigkeit nicht beliebig hoch benetzt werden.
17
1 Einleitung und Grundlagen
Die Grenzflächenspannungen bestimmen Form und Art der Bildung von Tröpfchen und Blasen. Bild 1.8 zeigt die Tropfenbildung einiger Flüssigkeiten auf einer sauberen Glasplatte. Quecksilber bildet einen ovalen Tropfen mit einem Benetzungswinkel von ca. 140°, Wasser einen halblinsenförmigen mit dem Benetzungswinkel von ca. 8°, Petroleum benetzt die gesamte Platte bei einem Winkel von 0°. In Tabelle 1.4 sind die Oberflächenspannungen und die Benetzungswinkel von Wasser und Quecksilber zu einigen Festkörpern angegeben. Quecksilber
Wasser
Petroleum
D D
Bild 1.8: Tropfenbildung auf einer sauberen Glasplatte Tabelle 1.4: Oberflächenspannung und Benetzungswinkel
Festkörper Wasser
Glas Graphit Kupfer Glas Stahl
Quecksilber
1.7.2
Oberflächenspannung in N/m < 0,073 0,005 >0,073 0,350 0,430
Benetzungswinkel in Grad ~8 86 ~0 135 bis 140 154
Grenzflächendruck (Kapillardruck)
An ebenen Grenzflächen treten keine senkrecht auf die Oberfläche wirkenden Oberflächenkräfte auf, weil die Oberflächenspannungen auf einer Ebene liegen. Bei gekrümmten Grenzflächen, z. B. am Gefäßrand oder bei Blasen und Tropfen, tritt eine senkrecht zur Oberfläche wirkende Normalkomponente auf, die eine Druckkraft auf die Grenzfläche ausübt. Diese Druckkraft wird Grenzflächen- oder Kapillardruck genannt. Flüssigkeit
R
pg Gas
V
p l
Bild 1.9: Grenzflächendruck
V
18
1 Einleitung und Grundlagen
Am Beispiel einer Gasblase in einer Flüssigkeit kann dieser Druck sehr einfach verdeutlicht werden. Der Druck in der Blase ist pg, der Druck in der Flüssigkeit pl. Die Oberflächenspannung versucht, die Blase zusammenzuziehen (Bild 1.9). Gegen diese Kraft wirkt der Druck in der Blase. Die von der Oberflächenspannung erzeugte Kraft auf die Oberfläche ist FO: FO
2 V S R
(1.20)
Durch den Druckunterschied wirkt die Kraft Fp entgegen der Oberflächenkraft. Fp
S R 2 ( p g p l ) S R 2 'p
(1.21)
Beide Kräfte sind im Gleichgewicht. Damit erhält man für die Druckdifferenz:
'p
2 V R
(1.22)
Der Druck in der Blase ist größer als der Druck in der Flüssigkeit. Das Gleiche gilt auch für Tropfen. Bei Blasen, die aus einem Flüssigkeitsfilm bestehen und innen und außen von einem Gas umgeben sind (Seifenblase), sind zwei Oberflächen vorhanden, so dass die Oberflächenkraft innen und außen berücksichtigt werden muss. Ist die Filmdicke sehr viel kleiner als der Blasendurchmesser, kann die Kraft einfach verdoppelt werden und man erhält für die Druckdifferenz:
'p
4 V R
(1.23)
Ist die erwähnte Bedingung nicht erfüllt und sind die Gase im Inneren und Äußeren der Blase nicht gleich, müssen zusätzlich der Unterschied im Blasendurchmesser innen und außen sowie die unterschiedliche Oberflächenspannung berücksichtigt werden. 1.7.3
Kapillarität
Wird ein enges Röhrchen (Bild 1.10) in eine Flüssigkeit getaucht, ist bei benetzenden Flüssigkeiten (z. B. Wasser gegenüber Glas) ein Ansteigen und bei nicht benetzenden Flüssigkeiten (z. B. Quecksilber gegenüber Glas) ein Absinken des Flüssigkeitsmeniskus im Röhrchen gegenüber dem Flüssigkeitsniveau der freien Oberfläche zu beobachten. Das Ansteigen des Meniskus wird als Kapillaraszension, die Absenkung als Kapillardepression bezeichnet. Die mittlere Anhebung bzw. Absenkung zm lässt sich aus dem Kapillardruck herleiten. Der Meniskus der Flüssigkeitssäule mit dem Krümmungsradius R hat einen der Gl. (1.22) entsprechenden Kapillardruck.
1 Einleitung und Grundlagen
19
Dieser Druck erzeugt bei benetzenden Flüssigkeiten eine nach oben, bei nicht benetzenden Flüssigkeiten eine nach unten gerichtete Kraft. Der Radius der Krümmung ist: R
d 2 cos D
(1.24)
Damit erhält man für den Kapillardruck: 2 V 12 R
'p K
d
4 V 12 cos D d
(1.25)
d
D
R zm
zm
Bild 1.10: Kapillaraszension und Kapillardepression
Die nach oben oder unten gerichtete Druckkraft ist: Fp
S 4
d 2 'p K
V 12 S d cos D
(1.26)
Die Gewichtskraft der Flüssigkeitssäule, vermindert um die Auftriebskraft der Gassäule, ist im Gleichgewicht mit der Druckkraft. FG
S 4
d 2 g zm ( Ul U g )
(1.27)
Die Anhebung oder Absenkung des Meniskus ist damit: zm
V 12 4 cos D d g ( Ul U g )
(1.28)
Nimmt man an, dass der Meniskus die Form einer Halbkugel hat und vernachlässigt die Gasdichte, erhält man eine vereinfachte Gleichung:
20
1 Einleitung und Grundlagen
zm
V 12 4 d g Ul
(1.29)
Das Diagramm in Bild 1.11 zeigt die Höhe der Absenkung bzw. Anhebung für Wasser, Alkohol und Quecksilber in Abhängigkeit des Innendurchmessers eines eingetauchten Glasrohres.
Anhebung/Absenkung in mm
30
20 Wasser 10 Alkohol 0 Quecksilber
-10 0
1
2
3 4 5 6 7 Innendurchmesser in mm
8
9
10
Bild 1.11: Kapillare Aszensions- und Depressionshöhe einiger Flüssigkeiten in einem Rohr
Für nicht kreisförmige Querschnitte sind Anhebung und Absenkung nicht über der ganzen Wand gleich. Bei zwei parallelen Platten z. B. ist wegen der fehlenden seitlichen Wände die Anhebung und Absenkung um den Faktor 2 geringer. BEISPIEL 1.3: Ablesegenauigkeit eines Quecksilberbarometers Ein Quecksilberbarometer besteht aus einem Glasreservoir mit 50 mm Innendurchmesser und einem Glasrohr, das 5 mm Innendurchmesser aufweist. Die Quecksilbersäule hat die Höhe von 756 mm. Bestimmen Sie die Depressionshöhe.
Schema
756 mm
Lösung Siehe Skizze
Annahmen • •
Gleichung (1.28) kann angewendet werden. Die Depressionshöhe im Behälter ist vernachlässigbar.
21
1 Einleitung und Grundlagen
Analyse Nach Tabelle 1.3 ist die Oberflächenspannung 0,48 N/m. Die Depressionshöhe im Rohr beträgt nach Gl. (1.28): zm
V 12 4 cosD d g Ul
4 cos(135q) 0,48 N/m 0,005 m 9,806 m/s 2 13'600 kg/m3
2,04 mm
Diskussion Bei kleinen Innenrohrdurchmessern ist die kapillare Depression oder Aszension nicht vernachlässigbar.
1.8
Problemlösungsmethodik
Zur Lösung strömungstechnischer Probleme [übernommen aus 1.1] sind meistens, direkt oder indirekt, folgende Grundgesetze erforderlich: Massenerhaltungssatz
(conservation of mass principle)
Energieerhaltungssatz, erster Hauptsatz der Thermodynamik
(conservation of energy principle, first law of thermodynamics)
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (second law of thermodynamics) Zweites Newton'sches Gesetz
(Newton's second law of motion)
Impulssatz
(momentum equation)
Drallsatz (bei Strömungsmaschinen)
(moment of momentum equation)
Ähnlichkeitsgesetze
(similarity laws)
Reibungsgesetze
(laws of friction)
Für den Ingenieur in der Praxis geht es neben der Beherrschung der Grundlagen auch um die Frage der Methodik (methodology), wie diese Grundlagen und insbesondere die oben genannten Grundgesetze bei konkreten Problemstellungen angewendet werden. Es ist wichtig, dass man sich eine systematische Arbeitsweise aneignet. Diese besteht im Wesentlichen stets aus den nachfolgend angegebenen 6 Schritten, die sich in der Praxis bewährt haben und deshalb sehr empfohlen werden.
22
1 Einleitung und Grundlagen
1. Was ist gegeben? Analysieren Sie, was von der Problemstellung bekannt ist. Legen Sie alle Größen, die gegeben oder für weitere Überlegungen notwendig sind, fest. 2. Was wird gesucht? Zusammen mit Schritt 1 überlegen Sie, welche Größen zu bestimmen und welche Fragen zu beantworten sind. 3. Wie ist das System definiert? Zeichnen Sie das System in Form eines Schemas auf und entscheiden Sie, welche Systemgrenze für die Analyse geeignet ist. • Systemgrenze(n) klar festlegen! Identifizieren Sie die Wechselwirkungen zwischen Systemen und Umgebung. Stellen Sie fest, welche Zustandsänderungen oder Prozesse das System durchlaufen bzw. in ihm ablaufen. • Erstellen Sie klare Systemschemata und Zustandsdiagramme! 4. Annahmen Überlegen Sie, wie das System möglichst einfach modelliert werden kann; machen Sie vereinfachende Annahmen (symplifying assumptions). Stellen Sie Randbedingungen und Voraussetzungen fest. Überlegen Sie, ob Idealisierungen zulässig sind: z. B. ideales Gas statt reales Gas, vollständige Wärmeisolierung statt Wärmeverluste und reibungsfrei statt reibungsbehaftet. 5. Analyse Beschaffen Sie die erforderlichen Stoffdaten. Die Stoffwerte finden Sie im Anhang. Falls dort nicht vorhanden, muss in der Literatur gesucht werden (z. B. VDIWärmeatlas [1.4]). Unter Berücksichtigung der Idealisierungen und Vereinfachungen formulieren Sie die Bilanz- und kinetischen Kopplungsgleichungen. Empfehlung: Arbeiten Sie so lange wie möglich mit funktionalen Größen, bevor Sie Zahlenwerte einführen. Prüfen Sie die Beziehungen und Daten auf Dimensionsrichtigkeit, bevor Sie nummerische Berechnungen durchführen.
1 Einleitung und Grundlagen
23
Prüfen Sie die Ergebnisse auf größenordnungs- und vorzeichenmäßige Richtigkeit. 6. Diskussion Diskutieren Sie die Resultate/Schlüsselaspekte, halten Sie Hauptergebnisse und Zusammenhänge fest. Von besonderer Bedeutung sind die Schritte 3 und 4. Schritt 3 trägt grundlegend zur Klarheit des Vorgehens insgesamt bei, Schritt 4 legt weitgehend die Qualität und den Gültigkeitsbereich der Ergebnisse fest. Die Lösung der behandelten Musterbeispiele erfolgt nach obiger Methodik. Die Aufgabenstellungen sind jeweils derart formuliert, dass die Punkte 1 und 2 eindeutig gegeben sind und daher sofort mit Punkt 3 begonnen werden kann.
1.9
Benutzung der Programme
Zum Buch gibt es in Mathcad 2001 erstellte Programme. Sie können im Internet unter www.fhbb.ch/maschinenbau in der Rubrik "Studiengänge, Aufgaben und Übungen" abgerufen werden. Die Programme sind in zwei Gruppen aufgeteilt: • In Übungsbeispielen aus dem Buch. Sie sind pro Kapitel in einem Block zusammengefasst und unter den Namen FMB01 bis FMB12 abrufbar. Die Zahl bedeutet die Nummer des Kapitels. • In Programmen, die als Arbeitsmittel zum Berechnen von Problemen wie z. B. Stoffwerte, Widerstandszahlen, Druckverluste etc. verwendet werden können. Sie sind unter FMAnnnn abrufbar. nnnn ist die laufende Nummer des Programms. Im Anhang des Buches finden Sie eine Liste mit den Titeln der vorhandenen Programme.
2
Ruhende Fluide
Dieses Kapitel behandelt die Gesetze ruhender Fluide. Zwei Beispiele demonstrieren die Ausbildung freier Oberflächen durch Krafteinwirkung. Das Druckfortpflanzungsgesetz in Fluiden wird bei hydraulischen Pressen, kommunizierenden Gefäßen und Flüssigkeitsmanometern angewendet. Die Druckverteilung und Eigenschaften der Erdatmosphäre werden für den technisch relevanten Bereich mit verschiedenen Modellen berechnet. Der Auftrieb und das Schwimmverhalten von Körpern wird diskutiert.
2.1
Ausbildung freier Flüssigkeitsoberflächen
Füllt man eine Flüssigkeit in einen Behälter, deren Volumen ihn vollständig ausfüllt, passt sich die Form der Flüssigkeit der des Behälters an. Wenn die Flüssigkeit den Behälter nicht vollständig ausfüllt, weil sich oberhalb der Flüssigkeit noch ein Gas oder Dampf befindet, entsteht eine Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, die freie Oberfläche genannt wird. Die Form dieser Grenzfläche wird von den von außen wirkenden Kräften und Oberflächenkräften bestimmt. Bei großen freien Oberflächen können die im vorhergehenden Kapitel beschriebenen Oberflächenkräfte vernachlässigt werden. Hier wird nur die Ausbildung freier Oberflächen ohne Berücksichtigung der Oberflächenkräfte besprochen. Eine stationäre freie Oberfläche steht in jedem ihrer Punkte normal zur einwirkenden äußeren Kraft. Freie Flüssigkeitsoberflächen, auf die nur die Schwerkraft einwirkt, haben die Form einer Kugel. Bei nicht allzu großen Oberflächen kann diese als eine Ebene angesehen werden. An großen Seen oder am Meer ist die Kugelform der Oberfläche jedoch deutlich zu erkennen. In einem kleineren Behälter, in der die Kugelform vernachlässigt werden kann, hat eine Flüssigkeit eine waagerechte, ebene, freie Oberfläche. Wird auf den Behälter und damit auf die Flüssigkeit eine Beschleunigung ausgeübt, verändert sich die Oberfläche. Dies kann an einem Behälter, der mit gleichmäßiger Beschleunigung a in Bewegung gesetzt wird, demonstriert werden (Bild 2.1). Auf ein Massenelement dm der Oberfläche wirkt die Schwerkraft dG, gegen die Beschleunigung die Trägheitskraft dF. Die resultierende Kraft ist dR, der Winkel der Oberfläche β. Die in horizontale Richtung wirkende Komponente der resultierenden Kraft dR ist die Trägheitskraft dF.
26
2 Ruhende Fluide l
dF
z
E dR
a
dG
Bild 2.1: Flüssigkeit in einem gleichmäßig beschleunigten Gefäß
& dR sin E
dRx
& dF
& a dm
(2.1)
Die in vertikale Richtung wirkende Komponente der resultierenden Kraft dR ist die Schwerkraft dG. & & & dR y dR cos E dG g dm (2.2) Die resultierende Kraft steht senkrecht zur freien Oberfläche. Der Winkel der freien Oberfläche β wird damit: dR x dR y
tan E
a g
(2.3)
Die Steighöhe z der Flüssigkeitsoberfläche ist: z
l tan E
(2.4)
Lässt man ein zylinderförmiges Gefäß, das im Ruhezustand bis zur Höhe z0 mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotieren, entsteht dort durch die Wirkung der Schwer- und Zentrifugalkraft eine parabelförmige freie Oberfläche (Bild 2.2). Auf ein Massenelement der Oberfläche wirken hier die Zentrifugalkraft dC und senkrecht dazu die Schwerkraft dG. Die resultierende Kraft dR steht senkrecht zur Oberfläche der Flüssigkeit. Die Zentrifugalkraft dC und Schwerkraft dG sind: z R
z max r
dC z
D z min
dG
dR
Z
Bild 2.2: Flüssigkeit in einem rotierenden Zylinder
27
2 Ruhende Fluide
& dC
&
(2.5)
Z 2 r dm & & dG g dm
(2.6)
Die Steigung der Oberfläche ist einerseits die Ableitung dz/dx, andererseits der Quotient der Zentrifugalkraft dC und Gewichtskraft dG. Damit erhält man folgende Differentialgleichung: dz dr
Z2 r
(2.7)
g
Nach Integration ergibt sich für die Koordinate z der Oberfläche: z
Z2 r
³
g
Z2 r2
dr
2 g
C
(2.8)
Die Oberfläche ist ein quadratisches Rotationsparaboloid. Die Integrationskonstante C wird durch Einsetzen der Höhe zmin bei r = 0 ermittelt. Damit ist C gleich zmin und Gl. (2.8) wird zu:
Z2 r2
z
2 g
z min
(2.9)
Die Form der Oberfläche ist bei gleicher Geometrie, der Füllhöhe h und Winkelgeschwindigkeit für alle Flüssigkeiten gleich, da sie unabhängig von der Dichte ist. Um die Höhen zmin und zmax zu bestimmen, muss das Volumen der Flüssigkeit betrachtet werden. Es befindet sich oberhalb der Höhe zmin, ist also im Rotationsparaboloid.
S R 2 ( z max z min )
VPara
2
(2.10)
Da das Volumen im Rotationsparaboloid der Hälfte des Volumens in einem gleich hohen Kreiszylinder entspricht, ist die Füllhöhe z0 im Ruhezustand: z0
( z max z min ) 2
(2.11)
Für die Höhen zmin und zmax erhält man mit Gl. (2.9): z min
z0
z max
z0
Z 2 R2 4 g
Z 2 R2 4 g
(2.12)
(2.13)
28
2 Ruhende Fluide
Wird zmin in Gl. (2.9) eingesetzt, kann die Form der Oberfläche als Funktion f(r) mit z0, R und ω als Parameter angegeben werden. z
z0
Z 2 (2 r 2 R 2 )
(2.14)
4 g
Auf ähnliche Weise können andere Oberflächen, die durch eine gleichmäßige Beschleunigung entstehen, bestimmt werden. BEISPIEL 2.1: Wasseroberfläche in einem rotierenden Behälter Ein zylinderförmiger Behälter mit 200 mm Innendurchmesser und 300 mm Höhe ist bis zu 200 mm mit Wasser gefüllt. Der Behälter kann mit einem Motor um die Zylinderachse in Rotation versetzt werden. Zu bestimmen sind: a) die Drehzahl, bei der das Wasser die Oberkante des Behälters erreicht b) die Form der Oberfläche und den Wasserinhalt, wenn die Drehzahl verdoppelt wird. Lösung Schema
Siehe Skizze
Annahmen • •
Die berechneten Zustände sind stationär, d. h., Anlaufvorgänge werden nicht untersucht. Beim Verdoppeln der Drehzahl wird Wasser aus dem Behälter geschleudert.
Analyse a) Gl. (2.14) kann nach der Winkelgeschwindigkeit ω umgeformt werden. Für die Höhe z werden die Oberkante des Behälters mit dem Wert von 300 mm, für z0 die Füllhöhe von 200 mm und für r = R der Innenradius mit 100 mm eingesetzt.
Z
( z z0 ) 4 g R2
Die Drehzahl n ist damit:
0,1 m 4 9,81 m/s 0,12 m 2 n
Z 2 S
19,81 s 1
3,153 s 1
b) Mit der Verdopplung der Drehzahl wird ein Teil des Wassers hinausgeschleudert, der Boden ist nur teilweise mit Wasser bedeckt. Die Oberflächenform
29
2 Ruhende Fluide
bleibt eine Parabel, deren Scheitelpunkt aber außerhalb des Behälters liegt. Zur Berechnung wird zunächst ein fiktiver Behälter mit 200 mm Innendurchmesser gesucht, der die doppelte Drehzahl hat, in dem das maximale Wasserniveau die Oberkante und das minimale Niveau der Boden ist. Dieser Behälter wäre im Ruhezustand bis zur Mitte gefüllt. Damit ist die Füllhöhe im Ruhezustand: z0 = zmax/2. Aus Gl. (2.14) erhält man für zmax: z max
Z 2 (2 r 2 R 2 ) 2 g
39,62 2 s 2 0,12 m 2 2 9,81 m/s 2
0,8 m
Unser Behälter entspricht den obersten 300 mm des fiktiven Behälters. Um das Wasservolumen zu bestimmen, muss das Füllvolumen des angenommenen 800 mm hohen Behälters berechnet und davon das Wasservolumen, welches unterhalb von 500 mm ist, abgezogen werden. Das Wasservolumen des 800 mm hohen Behälters ist:
V0
S R 2 z max / 2 S 0,12 m 2 0,4 m 0,01257 m 3 12,57 l
Auf der Höhe von 500 mm, auf der sich der Boden des wirklichen Behälters befindet, erhält man aus Gl. (2.14) den Radius der Wasseroberfläche: r
( z z0 ) 4 g R 2 2 2 Z 2
(0,5 0,4) m 2 9,81 m/s 2 0,005 m 2 1 1 569,7 s
0,0791 m
Unterhalb von 500 mm setzt sich das Wasservolumen aus einem Wasserring mit 100 mm Außen-, 79,1 mm Innenradius, einem Paraboloid mit 86,6 mm Radius und 500 mm Höhe zusammen. Das Volumen des Paraboloids entspricht dem halben Volumen eines Zylinders mit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Höhe.
VWasser
S ( R 2 r 2 r 2 / 2) z S (0,01 0,07912 / 2) 0,5 m 3 10,79 l
Das Wasservolumen im Behälter ist damit 1,78 l. Ursprünglich waren 6,28 l Wasser eingefüllt. Damit wurden 4,51 l Wasser hinausgeschleudert. Diskussion Durch Verdopplung der Drehzahl wird ein Großteil des Wasser herausgeschleudert. Interessant ist, dass die Gleichungen auch dann anwendbar sind, wenn die errechnete Oberfläche nur teilweise im Behälter ist.
30
2 Ruhende Fluide
2.2
Statischer Druck
Der statische Druck ist die auf Fläche A wirkende Normalkomponente Fn der Kraft F, geteilt durch die Fläche. Im Inneren eines ruhenden Fluids und an den Wänden eines Behälters treten nur Normalkräfte auf, Schubspannungen und Zugkräfte sind nicht vorhanden. Legt man an irgendeinem Punkt eines Fluids Bezugsflächen beliebiger Richtung an, ist der statische Druck an all diesen Flächen gleich groß, d. h., er ist richtungsunabhängig und damit eine skalare Größe und nur vom Ort abhängig. Die Druckkraft dagegen ist eine gerichtete Größe, also ein Vektor, der senkrecht auf die gedrückte Fläche wirkt. Der Druck ist eine absolute Größe. Wenn keine Kraft auf eine Fläche drückt, ist der Druck null. Unsere Atmosphäre erzeugt durch die Masse der Luft und die darauf wirkende Schwerkraft einen statischen Druck (Luftdruck). Daher spricht man oft von einem auf diesen Atmosphärendruck bezogenen Über- oder Unterdruck. 2.2.1
Erzeugung des hydrostatischen Druckes
2.2.1.1
Kolbendruck
In einem durch einen reibungsfrei gleitenden Kolben vollkommen dicht abgeschlossenen Behälter, der sich in schwerelosem Zustand befindet, ist ein Fluid. Der Kolben wird mit der konstanten Kraft F auf das Fluid gedrückt und dadurch zusammengepresst. Nach dem Druckfortpflanzungsgesetz von Pascal pflanzt sich der statische Druck gleichmäßig in alle Richtungen fort und wirkt an jeder Stelle der Behälterwand. Er ist gleich groß wie am Kolben. Damit ist der statische Druck: p
Kolben 1 (Pumpenkolben)
Kolben 2 (Arbeitskolben)
F1
F2
s2 s1
p
d1
F/A
p
d2
(2.15)
31
2 Ruhende Fluide Bild 2.3: Hydraulische Presse
Eine bekannte Anwendung des Druckfortpflanzungsgesetzes ist die hydraulische Presse (Bild 2.3). Sie besteht aus zwei Zylindern mit unterschiedlichen Durchmessern, die jeweils mit einem Kolben verschlossen und durch eine Leitung verbunden werden. Die Zylinder und die Verbindungsleitung sind mit einer Flüssigkeit gefüllt. Für die weitere Behandlung wird angenommen, dass die Flüssigkeit inkompressibel, der Vorgang reibungsfrei und die Einwirkung der Schwerkraft vernachlässigbar sind. Auf den Pumpenkolben (Kolben 1) wirkt die Kraft F1 und erzeugt in der Flüssigkeit den hydrostatischen Druck p, der sich wiederum im gesamten Behälter fortpflanzt und auf den Arbeitskolben wirkt. Der Druck im System ist: p
F1 / A1
(2.16)
Da der Druck, der auf den Arbeitskolben (Kolben 2) wirkt, gleich groß ist, wird die Kraft F2: F2
p A2
(2.17)
Zwischen den Kolbenflächen und den Kräften besteht folgender Zusammenhang: F2 F1
A2 A1
d 22 d12
(2.18)
Die an den Kolben wirkenden Kräfte sind proportional zu den Kolbenflächen bzw. zu den Quadraten der Kolbendurchmesser. Damit kann bei entsprechendem Kolbendurchmesserverhältnis mit einer kleinen Kraft am Pumpenkolben eine große Kraft am Arbeitskolben erzeugt werden. Wird z. B. mit dem Arbeitskolben ein Gewicht um die Strecke s2 angehoben, verändert sich das Volumen im Arbeitszylinder. Bei dieser Wegänderung muss der Pumpenkolben auch die gleiche Volumenänderung durchführen. Die Wegänderungen in den einzelnen Zylindern verhalten sich umgekehrt proportional zu den Kolbenflächen. s1 s2
A2 A1
d 22 d12
(2.19)
Die Kolbenhübe sind umgekehrt proportional zu den Kolbenflächen bzw. zu den Quadraten der Kolbendurchmesser. Da sich die Kräfte und Kolbenhübe umgekehrt verhalten, ist natürlich die Arbeit, die bekanntlich das Produkt aus Kraft und Weg ist, an beiden Kolben gleich groß. Wirkliche hydraulische Pressen haben Ventile, Leitungen, Vorratsbehälter, Dichtungen usw. Der Arbeitsvorgang ist nicht reibungsfrei. Damit wird der Druck am Arbeitszylinder geringfügig kleiner als nach Gl. (2.16). Die Arbeit am Pumpenkolben kann sogar sehr viel größer als am Arbeitskolben sein.
32
2 Ruhende Fluide
2.2.1.2
Schweredruck
An der freien Oberfläche auf der geodätischen Höhe z0 einer Flüssigkeit in einem offenen Gefäß herrscht der Druck p0, der sich nach dem Pascal'schen Druckfortpflanzungsgesetz in der gesamten Flüssigkeit ausbreitet. Dieser Druck p0 kann bei einem mit Kolben abgeschlossenen Gefäß auch als Kolbendruck angesehen werden, wobei dann folgende Betrachtungen allgemein für Fluide, d. h. für Flüssigkeiten und Gase, gelten: Dem Kolbendruck ist in einem Fluid der Druck, der durch das Gewicht des Fluids verursacht wird, ein weiterer Druck überlagert. Auf jedem Punkt des Fluids wird durch die darüber liegende Fluidsäule ein zusätzlicher Druck erzeugt, der Schweredruck oder hydrostatischer Druck genannt wird. Bei Gasen mit einer kleinen Dichte und nicht allzu hohen Gassäulen kann dieser zusätzliche Druck vernachlässigt werden. Bei Flüssigkeiten, deren Dichte wesentlich höher ist, muss er meist berücksichtigt werden. In einer geodätischen Höhe z unterhalb von z0 wirkt auf ein Flächenelement dA, das senkrecht zur Erdbeschleunigung gerichtet ist, die durch das Gewicht der Flüssigkeitssäule hervorgerufene Schwerkraft dFG. Der Kolbendruck pK wirkt auf beide Seiten dieses Flächenelements und hebt sich dadurch auf. Damit wird ein zum vorhandenen Kolbendruck zusätzlicher Druck pG erzeugt. pG
dFG dA
U g ( z 0 z ) dA dA
U g ( z0 z)
(2.20)
Der hydrostatische Druck im Fluid verändert sich in Richtung z der Erdbeschleunigung. Er ist proportional zum geodätischen Höhenunterschied z0 – z. Der gesamte statische Druck setzt sich aus dem Kolbendruck p0 und dem Schweredruck pG zusammen. p
p0 U g ( z 0 z )
(2.21)
In einem ruhenden Fluid herrscht in Punkten gleicher geodätischer Höhe überall der gleiche hydrostatische Druck. Er ist unabhängig von Form und Größe des Gefäßes. Dieses Gesetz gilt auch, wenn sich in einem Gefäß zwei nicht mischende Fluide befinden. In Gl. (2.21) muss dann im jeweiligen Fluid dessen Dichte eingesetzt werden. Die Gln. (2.20) und (2.21) zeigen, dass mit der Höhe einer Flüssigkeitssäule ein Druck ausgedrückt bzw. gemessen werden kann. Messgeräte, die mit einer Flüssigkeitssäulenhöhe den Druck bestimmen, werden Flüssigkeitssäulen- oder Flüssigkeitsmanometer genannt.
33
2 Ruhende Fluide
2.2.2
Kommunizierende Gefäße
Aus der Gesetzmäßigkeit, dass in einer Flüssigkeit auf gleicher geodätischer Höhe immer der gleiche hydrostatische Druck herrscht, kann das Gesetz für kommunizierende Gefäße hergeleitet werden. In ihnen befindet sich eine Flüssigkeit, durch die sie unten miteinander verbunden sind. Die geodätischen Höhen sind je nach Kolbendruck unterschiedlich groß. Abmessung, Form und Neigung der Gefäße können verschieden sein (Bild 2.4). Die vier Gefäße sind mit dem gleichen Fluid homogener Dichte gefüllt. Der Kolbendruck auf die einzelnen Gefäße ist p0i, die geodätische Höhe der freien Oberfläche z0i. In Höhe z herrscht der gleiche Druck p, der nach Gl. (2.21) berechnet wird. p03 p
p 04
z 03
01
z01
p
02
z 04
z 02
z
Bild 2.4: Kommunizierende Gefäße
p
p 0 i U g ( z 0i z )
(2.22)
Bezogen auf das erste Gefäß ist die Differenz der Kolbendrücke zwischen den einzelnen Gefäßen: p01 p0i
U g ( z 0i z 01 )
(2.23)
Entsprechend kann auch bei anderen Gefäßen verfahren werden. Die von der Druckdifferenz hervorgerufenen Höhenunterschiede sind von der Form unabhängig. Ist der Kolbendruck überall gleich groß, bildet die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule eine horizontale Ebene. Praktische Anwendung finden kommunizierende Gefäße in der Messtechnik zur Messung von Differenzdrücken (U-Rohrmanometer) und Flüssigkeitsniveaus in Behältern (Flüssigkeitsstandgläser) sowie in der Trinkwasserversorgung (Wassertürme). Bringt man nicht mischbare Flüssigkeiten in ein kommunizierendes System, muss für die jeweilige Flüssigkeit die entsprechende Dichte eingesetzt werden.
34
2 Ruhende Fluide
BEISPIEL 2.2: Flüssigkeitsmanometer Der Druck eines Gasbehälters wird mit einem quecksilbergefüllten Flüssigkeitsmanometer gemessen. Die Dichte des Gases beträgt 4,2 kg/m3, die des Quecksilbers 13'600 kg/m3. Man liest folgende Höhen ab: z0 = 0 mm, z1 = 300 mm, z2 = 850 mm und z = 500 mm. Der Atmosphärendruck beträgt 0,98 bar. Bestimmen Sie den Behälterdruck p und zeigen Sie, dass der Einfluss der Gassäule vernachlässigbar ist. Lösung Schema
patm
Siehe Skizze
z2
Annahmen • •
Die beiden Schenkel des U-Rohres bilden ein kommunizierendes Gefäß. Der Einfluss der Kapillardepression ist vernachlässigbar, weil sie in beiden Schenkeln ca. gleich groß ist.
p
z z1 z0
Analyse Der Druck unten im U-Rohr auf der Höhe z0 ist für beide Schenkel gleich groß. Damit kann folgende Gleichung aufgestellt werden: p0
p g [ U g ( z z1 ) U Hg ( z1 z 0 )]
p atm g U Hg ( z 2 z 0 )
Unter Berücksichtigung, dass z0 = 0 ist, erhält man nach Umformung für p: p
p atm g [ U Hg ( z 2 z1 ) U g ( z z1 )]
Die Zahlenwerte ergeben: p
0,98 10 5 Pa 9,81 m s 2 (13'600 kg/m 3 0,55 m 4,2 kg/m 3 0,2 m) (98'000 73'379 8,2) Pa
1,713 bar
Diskussion Mit dem Flüssigkeitsmanometer können Drücke ohne Eichung sehr einfach gemessen werden. In unserem Fall ist der Einfluss der Gassäule wirklich vernachlässigbar. Er beträgt weniger als 0,005 %. Bei Flüssigkeiten mit wesentlich höheren Dichten ist die Vernachlässigung nicht erlaubt. Die Berechnung zeigt, dass für die Messung nur die Differenz der Flüssigkeitssäule benötigt wird.
35
2 Ruhende Fluide
BEISPIEL 2.3: Niveaumessung mit einem Flüssigkeitsmanometer Die Füllstandshöhe in einem offenen Wasserbehälter wird mit einem Flüssigkeitsmanometer, das mit Quecksilber gefüllt ist, gemessen. Die Dichte des Wassers ist 998 kg/m3, die des Quecksilbers 13'600 kg/m3. Folgende Höhen werden abgelesen: z1 = 100 mm, z2 = 850 mm und z0 = 0 mm. Der Atmosphärendruck beträgt 0,98 bar. Bestimmen Sie das Wasserniveau z im Behälter. Lösung Schema
patm
Siehe Skizze
Annahmen • •
z
Wasser
Beide Schenkel des U-Rohres bilden ein kommunizierendes Gefäß. Der Einfluss der Kapillardepression ist vernachlässigbar, weil sie in beiden Schenkeln ca. gleich groß ist.
patm z2 z1 z0
Hg
Analyse Der Druck unten im U-Rohr auf der Höhe z0 ist für beide Schenkel gleich groß. Damit kann folgende Gleichung aufgestellt werden: p0
p atm g [ U H
2O
( z z1 ) U Hg ( z1 z 0 )]
p atm g U Hg ( z 2 z 0 )
Unter Berücksichtigung, dass z0 = 0 ist, erhält man nach Umformung für z: z
Die Zahlenwerte ergeben: z
U Hg ( z 2 z1 ) / U H O z1 2
13'600 0,75 m 0,1 m 10,320 m 998
Diskussion In einem relativ hohen Wasserbehälter kann die Füllstandshöhe mit dem Quecksilber-Flüssigkeitsmanometer sehr einfach gemessen werden. Durch den Dichteunterschied zwischen Quecksilber und Wasser entspricht eine Quecksilbersäule einer 13,6 mal höheren Wassersäule. Der Nachteil des Quecksilbersäulenmanometers ist, dass wegen der Giftigkeit der Quecksilberdämpfe Vorkehrungen getroffen werden müssen, die das Austreten des Quecksilbers in den Behälter oder in die Umgebung verhindern.
36
2 Ruhende Fluide
2.2.2
Statischer Druck der Atmosphäre (Aerostatik)
Gassäulen haben in technischen Anwendungen relativ geringe Höhen, die Druckänderung in der Gassäule kann in der Praxis meist vernachlässigt werden. Die Gassäule unserer Atmosphäre hat eine sehr große Höhe und die Änderungen des Druckes und der Temperatur sind für viele Anwendungen (Flugzeugkonstruktion, Verhalten von Fahrzeugen in großer Höhe etc.) von Bedeutung. Die Atmosphäre kann je nach Temperatur, Gaszusammensetzung und Ionisation in verschiedene Schichten aufgeteilt werden. Die für die meisten technischen Berechnungen ausreichenden Schichtungen liegen in einer Höhe von bis zu 50 km. Die Schichtung der Atmosphäre ist in Tabelle 2.1 zusammengefasst. Tabelle 2.1: Schichtung der Atmosphäre
Höhe z
Bezeichnung
Temperatur
0 - 11 km 11 - 20 km 20 - 50 km
Troposphäre Stratosphäre Stratosphäre
50 - 60 km 60 - 80 km 80 - 400 km
Stratopause Mesosphäre Ionosphäre
linear von +15 °C auf –56,5 °C fallend –56,5 °C konstant (isotherm) linear von –56,5 °C auf 0 °C zunehmend (Inversion) bei ca. 0 °C konstant (isotherm) linear von 0 °C auf –80 °C abnehmend von –80 °C auf 1'000 °C zunehmend
In der untersten Schicht, der Troposphäre, spielen sich die Witterungsvorgänge ab. Sie enthält ca. drei Viertel der Luftmasse der Atmosphäre. In der Troposphäre nimmt die Temperatur der Luft linear mit 0,65 K pro 100 m ab. In der darüber liegenden Stratosphäre ist die Temperatur bis zur Höhe von etwa 20 km konstant und nimmt dann linear bis zu einer Höhe von 50 km auf 0 °C zu. Die Höhe und Temperatur der Schichten sind von geographischer Lage und Jahreszeit abhängig. Nähere Angaben zu den Eigenschaften der Atmosphäre sind in [2.2] zu finden. Für technische Belange werden Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der Atmosphäre in den folgenden Kapiteln anhand dreier Modelle beschrieben. 2.2.2.1
Isotherme Schichtung
Bei isothermer Schichtung werden die Temperatur der Schicht als konstant, die Luft als ideales Gas angenommen. Nach der idealen Gasgleichung gilt für die isotherme Zustandsänderung: p
p0
U
Uo
konst.
37
2 Ruhende Fluide
Eine differentiell kleine Druckänderung dp in der Höhe z ist: dp
U g dz
p U 0 g dz p0
(2.24)
Nach Separation der Variablen erhalten wir: p
z
³
dz
p0 dp U0 g p p
³
0
0
Die Integration ergibt: z
p0
U0 g
ln
p0 p
(2.25)
Dabei ist z die auf eine Referenzhöhe (z. B. Meeresspiegel oder Beginn der Stratosphäre) bezogene geodätische Höhe. p0 ist der Druck und ρ0 die Dichte der Luft auf der Referenzhöhe. Auf der Höhe z erhält man für Druck und Dichte folgende Beziehungen:
2.2.2.2
p
p0 e
U
U0 e
U g 0 z p0
p0 e
U g 0 z p0
U0 e
g z R T0
(2.26)
g z R T0
(2.27)
Isentrope Schichtung
Die Isentropengleichung für ideale Gase lautet [2.1]: p
p0
N
U 0N
U
konst.
In Gl. (2.4) eingesetzt, erhalten wir: 1/ N
dp
U g dz
§ p · ¨¨ ¸¸ © p0 ¹
g dz
Die Integration ergibt für z:
z
N 1 º ª p0 N « § p·N » ¨ ¸ 1 U 0 g N 1 « ¨© p0 ¸¹ » »¼ «¬
(2.28)
38
2 Ruhende Fluide
Für den Druck und die Dichte erhält man: N
p
§ U g N · N 1 p0 ¨¨1 0 z ¸¸ p0 N 1 ¹ ©
U
§ U g N · N 1 z ¸¸ U 0 ¨¨1 0 p0 N 1 ¹ ©
N
§ g N 1 · N 1 p0 ¨¨1 z ¸¸ © R T0 N ¹
1
(2.29)
1
§ g N 1 · N 1 z ¸¸ U 0 ¨¨1 © R T0 N ¹
(2.30)
Nach der idealen Gasgleichung ist die Temperatur in der isentropen Schichtung: T
p RU
p0 R U0
§ U g N 1 · ¨¨1 0 z ¸¸ p0 N © ¹
(2.31)
Gleichung (2.31) nach dz differenziert, zeigt, dass der Temperaturgradient dT/dz linear ist. Setzt man für Luft den Isentropenexponenten mit κ = 1,4 und die Gaskonstante mit R = 287 J/(kg K) ein, erhält man: dT dz
g N 1 R N
9,81 m/s 2 0,4 287 J/(kg K) 1,4
0,098
K m
0,98
K 100 m
Dieser Wert ist größer als der Temperaturgradient von 0,65 K pro 100 m in der Troposphäre. Das Ergebnis ist nicht erstaunlich, weil die isentrope Zustandsänderung davon ausgeht, dass ein ideales Gas isentrop eine Druckänderung erfährt. Dies ist der Fall, wenn eine Gasmasse von einer bestimmten geodätischen Höhe in der Atmosphäre auf eine andere geodätische Höhe gebracht wird und dabei eine Druckänderung erfährt. Bei Windstille bleiben die Luftschichten in der gleichen Höhe und ihre Temperaturen werden von anderen Effekten wie z. B. Wärmeaustausch bestimmt. Bei Föhn kann der Einfluss der Kompression beobachtet werden, wenn die Luftmassen entlang der Berghänge in ein Tal strömen. Sie werden dabei komprimiert und erfahren eine Aufwärmung, die etwa Gl. (2.31) entspricht. 2.2.2.3
Normatmosphäre
Nach Festlegung der ICAO (International Civil Aviation Organization) und DIN ISO 2533 (Dezember 1979) hat die Normatmosphäre auf Meereshöhe folgende Daten: Luftdruck Lufttemperatur Luftdichte
p0 = 101'325 Pa ϑ0 = 15 °C ρ0 = 1,225 kg/m3
Der Temperaturgradient beträgt bis zu einer Höhe von 11 km – 0,0065 K/m. Für Höhen zwischen 11 und 20 km ist die Temperatur konstant – 56,5 °C.
39
2 Ruhende Fluide
Die Temperatur der Troposphäre wird damit: T = T0 – a . z = 288 K – 0,0065 (K/m) . z In Gl. (2.24) eingesetzt, erhalten wir: dp
g U dz
Setzt man für z die Variable z * dp p
p g dz R (T0 a z )
T0 a z ein, erhält man:
g dz * a R z*
Die Integration zwischen den Grenzen p0 und p sowie z0 und z ergibt: ln
p p0
g z ln aR z0
T az g ln 0 aR T0
Der Zahlenwert für den Ausdruck g /( a R ) ist 5,2586. Damit erhalten wir nach Umformung: g
p
U
§ T a z · a R ¸ p0 ¨¨ 0 ¸ © T0 ¹
p R (T0 a z )
§ az · ¸ p0 ¨¨1 T0 ¸¹ ©
§T az · ¸ U 0 ¨¨ 0 ¸ © T0 ¹
g a 1 R
§
5, 2586
U 0 ¨¨1 ©
(2.32)
az · ¸ T0 ¸¹
4 , 2586
(2.33)
Eigenschaften der Normatmosphäre sind im Anhang A1 zu finden und können mit dem Programm FMA0201 berechnet werden. BEISPIEL 2.4: Steighöhe eines Heißluftballons Ein Heißluftballon hat die Masse von 600 kg und ein Volumen von 1'000 m3. Am Boden sind die Bedingungen entsprechend der Normatmosphäre. Wie hoch steigt der Ballon a) bei isothermer Schichtung b) bei isentroper Schichtung c) in der Normatmosphäre?
40
2 Ruhende Fluide
Lösung Annahmen • •
Die Rechenmodelle der verschiedenen Atmosphären sind gültig. Volumen und Masse des Ballons bleiben konstant.
Analyse Für alle drei Atmosphärenmodelle gilt, dass die Steighöhe dann erreicht ist, wenn die Auftriebskraft dem Gewicht des Ballons entspricht. Dies ist der Fall, wenn die Luftdichte gleich der Dichte des Ballons ist. Gemäß Definition in Kapitel 1 beträgt die Dichte des Ballons:
UB
600 kg/1'000 m 3
m /V
0,6 kg/m 3
Für alle drei Modelle ist nur die Höhe zu errechnen, bei der die Luftdichte der Dichte des Ballons entspricht. a) Bei isothermer Schichtung kann die Dichte der Luft mit Gl. (2.27) bestimmt werden. Die Gleichung nach z aufgelöst, ergibt: z
b)
R T0 U ln 0 g U
287 J/(kg K) 288 K 1,225 ln 2 0,6 9,81 m/s
6,019 km
Nach Gl. (2.30) ist bei isentroper Schichtung die Dichte der Luft: N 1 º R T0 N ª§ U 0 · «¨¨ ¸¸ 1» g N 1 «© U ¹ »¼ ¬
z
c)
287 288 1,4 0, 4 1,225 / 0,6 1 9,81 0,4
>
@
9,754 km
Die Höhe z in der Standardatmosphäre kann mit Gl. (2.33) bestimmt werden: z
1 / 4 , 2586 º T0 ª § U · » «1 ¨¨ ¸¸ a « © U0 ¹ » ¬ ¼
288 K 1 (0,6/1,225)1/4,2586 0,0065 K/m
>
@
6,841 km
Diskussion Das Beispiel demonstrierte drei Berechnungsmodelle für die Atmosphäre. Die wirkliche Berechnung des Ballons müsste die Änderung des Ballonvolumens, das mit zunehmender Höhe größer wird, berücksichtigen. Wegen des Brennstoffverbrauchs nimmt außerdem die Masse des Ballons ab, so dass die wirkliche Steighöhe wesentlich größer wird. Bei einer realistischeren Berechnung wären die Standardatmosphäre, die lokalen und jahreszeitlichen Abweichungen zu berücksichtigen.
2 Ruhende Fluide
2.3
41
Druckkräfte
Bei Schwerelosigkeit wirkt auf die Wände eines Behälters überall der auf das Fluid ausgeübte Kolbendruck pK. Unter Einwirkung des Schwerefeldes der Erde muss zusätzlich noch der Schweredruck berücksichtigt werden. Der Druck an den Behälterwänden ist von der geodätischen Höhe abhängig. In der Regel wirkt von außen auf die Behälterwände auch ein Druck pa. Bei der Berechnung der Kräfte ist die Differenz des Innen- und Außendruckes maßgebend. Für die Auslegung von Behältern ist es äußerst wichtig zu wissen, welche Kräfte auf die Behälterwände wirken. Hier wird auf die genaue Berechnung von Behältern nicht eingegangen. Berechnungsunterlagen sind in den entsprechenden gesetzlichen Vorschriften (z. B. SVDB), in Richtlinien (z. B. TRD-Richtlinien, ADI-Merkblätter) oder in Fachliteratur zu finden. 2.3.1
Druckkräfte auf ebene Wände
Wirkt in einem Behälter von innen ein konstanter statischer Druck p und von außen der konstante Außendruck pa auf eine ebene Wand (z. B. Deckel oder Flansch) mit der Fläche A, entsteht senkrecht zur Wand eine Kraft F, die gleich dem Produkt der Druckdifferenz und der Fläche ist. F
( p pa ) A
(2.34)
Die Kraftwirkung geht vom Flächenschwerpunkt der Fläche aus. Bei einer Kreisfläche wäre dieser der Mittelpunkt der Fläche. Ist der Druck bzw. die Druckdifferenz nicht konstant, weil z. B. infolge des Schweredruckes mit abnehmender geodätischer Höhe der Druck ansteigt, geht die Kraftwirkung nicht vom Flächenschwerpunkt, sondern vom so genannten Druckmittelpunkt aus. Er entspricht dem Punkt, an dem die wirkende Kraft mit der Druckkraft im Gleichgewicht ist. 2.3.2
Druckkräfte auf gekrümmte Wände
Die Druckkraft auf gekrümmte Wände ist das Produkt der Druckdifferenz und der in Kraftrichtung projizierten Fläche. Wenn man ein kreiszylindrisches Gefäß mit einem halbkugelförmigen oder gewölbten Deckel abschließt, ist die projizierte Fläche in Richtung Zylinderachse gleich der Fläche des Kreises. Die wirkende Kraft ist also gleich groß wie bei einem ebenen Deckel. Die Berechnung der Druckkräfte kann an einem Rohr, das an beiden Enden mit einer ebenen Platte verschlossen ist, demonstriert werden (Bild 2.5). Der Druck im Rohr ist p, außen am Rohr pa. Das Rohr hat die Länge l , den Außendurchmesser D und den Innendurchmesser d.
42
2 Ruhende Fluide
V ax
l
V ax
p D
Vt
d
Fax
V ax
Fax
Vax
Ft
p
Vt
Vt Vt
Ft
pa
Bild 2.5: Kraftwirkung des Druckes auf ein Rohr
Die axiale Kraft Fax wird durch den Druck, der auf die beiden Abschlüsse wirkt, bestimmt: Fax
( p pa ) A
( p pa )
S 4
d2
(2.35)
Die in der Rohrwand erzeugte Axialspannung σax berechnet sich als:
V ax
Fax ARohr
( p pa ) d 2 D2 d 2
(2.36)
Zur Berechnung der tangentialen Kräfte muss zunächst die projizierte Fläche bestimmt werden. Der höhere Innendruck versucht, das Rohr mit der Tangentialkraft Ft auseinander zu drücken. Damit ist die projizierte Fläche gleich dem Produkt des Innendurchmessers d und der Länge l. Die Tangentialkraft errechnet sich zu: Ft
( p p a ) A proj
( p pa ) d l
(2.37)
Die in der Rohrwand erzeugte Tangentialspannung σt beträgt:
Vt
Ft AWand
( p pa ) d l l (D d )
( p pa ) d (D d )
( p pa ) d 2s
(2.38)
Die Axial- und Tangentialspannungen geben an, welche Zugspannungsfestigkeit das Rohrmaterial aufweisen muss. Bei Rohren, vor allem bei solchen mit kleineren Durchmessern, ist in der Regel nur die Tangentialspannung maßgebend. 2.3.3
Hydrostatisches Paradoxon
Der innere Druck übt immer auf den Boden eines Behälters gemäß Gl. (2.22) Kraft aus, und zwar unabhängig davon, wie der Behälter geformt ist. In einem oben offenen Behälter mit einem waagerechten Boden, in dem sich eine Flüssigkeit befindet, ist der Kolbendruck auf die Flüssigkeit gleich dem Außendruck. Damit wird die Druckdifferenz am Boden des Behälters nur vom Schweredruck der Flüssigkeit be-
2 Ruhende Fluide
43
stimmt. Die Kraft, die auf den Boden wirkt, ist gleich dem Produkt des Schweredruckes und der Fläche. Das Gewicht der Flüssigkeit hat keinen Einfluss auf die Kraftwirkung des Schweredruckes. In Bild 2.6 sind einige Behälter, die alle bis zur gleichen Höhe z0 mit identischer Flüssigkeit gefüllt sind, dargestellt. Die Behälter haben die gleich großen Bodenflächen A. Es erscheint unlogisch, dass trotz der unterschiedlichen Flüssigkeitsmassen auf alle Bodenflächen die gleiche Kraft ausgeübt wird. Daher nennt man diesen physikalischen Sachverhalt hydrostatisches Paradoxon.
z0
z1 Bild 2.6: Zur Erklärung des hydrostatischen Paradoxons
2.4
Auftrieb und Schwimmen
Taucht man einen homogenen Körper vollständig in ein homogenes Fluid ein (Bild 2.7), wirkt der hydrostatische Druck von allen Seiten auf den Körper. p0
z1
freie Oberfläche dF 1
dA 1
FA S G
z2
dF 2
dA 2
Bild 2.7: Zur Erklärung der Auftriebskraft
44
2 Ruhende Fluide
Da der hydrostatische Druck mit abnehmender geodätischer Höhe jedoch zunimmt, wirkt auf die Flächenelemente des Körpers an tiefer liegenden Punkten eine höhere Kraft. Betrachtet man zwei übereinander liegende Flächenelemente dA1 und dA2, die sich auf der geodätischen Höhe z1 und z2 befinden und deren projizierte Fläche in Richtung der Schwerkraft gleich groß dA ist, wirkt von unten die Kraft dF2 und von oben die Kraft dF1 auf die Flächenelemente. Nach Gl. (2.21) sind diese Kräfte: dF1
( p0 g U z1 ) dA
dF2
( p 0 g U z 2 ) dA
(2.39)
Die resultierende Kraft auf das Volumenelement dV zwischen den beiden Flächenelementen dA1 und dA2 ist: dFA
dF2 dF1
g U ( z 2 z1 )
g U dV
(2.40)
Die gesamte Kraft, die auf den Schwerpunkt S des verdrängten Flüssigkeitsvolumens (Verdrängungsschwerpunkt) wirkt, erhält man durch Integration der Kraft dFA über das Volumen des Körpers. FA
³ dF ³ g U dV A
V
g U V
V
(2.41)
Die Kraft FA wird als statische Auftriebskraft bezeichnet. Wie Gl. (2.29) zeigt, ist sie gleich der Gewichtskraft des verdrängten Fluids. Diese Kraft wirkt gegen die Gewichtskraft G des Körpers. Damit erscheint der Körper leichter oder er erfährt einen scheinbaren Gewichtsverlust. Das scheinbare Gewicht Gsch des Körpers ist: Gsch
g ( U K U F ) V
(2.42)
Dabei bedeuten Index K Körper und F Fluid. Ist die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft des Körpers, schwebt der Körper im Fluid. Ist die Auftriebskraft kleiner, sinkt der Körper, ist sie größer, taucht der Körper auf. Bei nicht homogenen Körpern ist der Schwerpunkt des Körpers nicht der Verdrängungsschwerpunkt. Befindet sich der Körperschwerpunkt unterhalb des Verdrängungsschwerpunktes, spricht man von einer stabilen Schwimmlage, d. h., wenn sich durch eine Kraft die Lage des schwimmenden Körpers verändert, kehrt der Körper nach Wegfall der Krafteinwirkung in die Gleichgewichtslage zurück. Bleibt durch eine einwirkende Kraft oder Moment die Lage des Schwerpunktes und des Verdrängungsschwerpunktes unverändert, spricht man von einer indifferenten Schwimmlage. Diese können nur homogene Körper mit symmetrischer Form, z. B. eine Kugel (allseitig indifferent) oder ein Kreiszylinder (indifferent bezüglich der Längsachse) einnehmen. Befindet sich der Schwerpunkt eines schwebenden Körpers oberhalb des Verdrängungsschwerpunktes auf der Schwimmachse, wird er bei der Einwirkung der
2 Ruhende Fluide
45
kleinsten Kraft diese Lage verlassen und nicht mehr zurückkehren. Man spricht in diesem Fall von labiler Schwimmlage. Körper, deren Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft ist, schwimmen auf einer freien Oberfläche. Das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist gleich dem Gewicht des Körpers. Die freie Flüssigkeitsoberfläche wird als Schwimmebene, die innerhalb des Körpers liegende Fläche (Schnittfläche) als Schwimmfläche oder Wasserlinie bezeichnet. Im Gleichgewichtszustand befinden sich der Körperschwerpunkt SK und der Verdrängungsschwerpunkt SV auf einer gemeinsamen vertikalen Wirkungslinie der Auftriebs- und Gewichtskraft, die Schwimmachse genannt wird. Bringt man einen Schwimmkörper aus seiner Gleichgewichtslage, verändert sich der Verdrängungsschwerpunkt, weil die Form, nicht aber das Volumen der verdrängten Flüssigkeit verändert wird. Bei Schwimmkörpern spricht man von einer Schwimmstabilität, wenn der Körper nach Einwirkung einer Kraft seine ursprüngliche Lage wieder einnimmt. Dies ist der Fall, wenn der Körperschwerpunkt tiefer liegt (Gewichtsstabilität) als der Verdrängungsschwerpunkt oder wenn die Form des Schwimmkörpers so gestaltet ist, dass bei der Auslenkung der Verdrängungsschwerpunkt derart verändert wird, dass der Schwimmkörper ein Rückstellmoment erfährt.
0 SK SV
hm 0 M SK S V
Bild 2.8: Stabilität von Schwimmkörpern
Wenn die so genannte metazentrische Höhe hm positiv ist, hat ein Schwimmkörper Schwimmstabilität. Unter metazentrischer Höhe versteht man den Abstand des Körperschwerpunktes vom Metazentrum M, das der Schnittpunkt der Schwimmachse mit der Auftriebskraft (senkrechte Linie durch den Verdrängungsschwerpunkt) ist.
3
Bewegte Fluide
Im Gegensatz zur Hydrostatik, die ruhende Fluide behandelt, werden hier bewegte Fluide besprochen und die zu ihrer Behandlung benötigten Grundbegriffe eingeführt. Wir behandeln den Massenerhaltungssatz bei Strömungsvorgängen (Kontinuitätsgleichung). Zur Sichtbarmachung von Strömungsvorgängen und verschiedenen Strömungsformen werden Methoden aufgezeigt. Die Anwendung des Kontrollraums, der in den nachfolgenden Kapiteln zur Behandlung der Impuls- und Energieerhaltung von Wichtigkeit ist, wird demonstriert.
3.1
Grundbegriffe
3.1.1
Strömungsgeschwindigkeit
Die Bewegung eines Fluidelements wird durch die Strömungsgeschwindigkeit beschrieben. Wie in der Mechanik ist die Strömungsgeschwindigkeit die Wegänderung eines Fluidelements pro Zeiteinheit. Sie ist richtungsabhängig und damit ein & Vektor. Der zeitabhängige Ortsvektor r (t) wird in kartesischen Koordinaten folgendermaßen angegeben: & & & & r (t ) x (t ) y (t ) z (t ) (3.1) Die x, y und z Komponenten der Ortskoordinaten werden nach Regeln der Vek& toraddition zusammengesetzt. Den Geschwindigkeitsvektor c (t) erhält man durch die Differentiation des Ortsvektors nach der Zeit. & c (t )
& dr dt
& & & dx dy dz dt dt dt
& & & cx c y cz
(3.2)
Dabei ist c die Geschwindigkeit der Strömung am Ort r zur Zeit t. In einem strömenden Fluid kann die Geschwindigkeit an jedem Ort zu einer bestimmten Zeit eine unterschiedliche Größe und Richtung haben. Die Richtung der x, y und z Komponenten ist jeweils gegeben. Damit können die Komponenten wie folgt angegeben werden: cx
f1 ( x , y , z , t ) c y
f 2 ( x, y , z , t ) c z
f 3 ( x, y , z , t )
(3.3)
Gleichung (3.3) gibt die Geschwindigkeitskomponente als eine Funktion des Raums und der Zeit in einem kartesischen Koordinatensystem an. Entsprechend des
48
3 Bewegte Fluide
Problems können natürlich andere Koordinatensysteme, wie z. B. Zylinder- oder Kugelkoordinaten, angenommen werden. Eine andere Angabe der Geschwindigkeit kann entlang einer Stromlinie s, die im nächsten Abschnitt beschrieben wird, erfolgen. c
3.1.2
c ( s, t )
(3.4)
Stromlinie, Strömungsfeld
Werden die Geschwindigkeitsvektoren innerhalb einer Strömung eingezeichnet, erhält man ein Strömungsfeld (flow field). Verbindet man die Geschwindigkeitsvektoren so, dass eine Kurventangente entsteht, bekommt man eine Stromlinie (streamline). Der Weg eines Fluidelements wird als Strombahn oder Strompfad bezeichnet. Bei der Umströmung eines Körpers werden der in Strömungsrichtung vorderste Punkt des Körpers, an dem sich die Strömung verzweigt, vorderer Staupunkt (stagnation point) und der hinterste, an dem sich die Strömung wieder vereinigt, hinterer Staupunkt genannt. Stromlinien
c
b a
d
c
c c c
Bild 3.1: Strömung durch eine Öffnung
In Bild 3.1 wird die Strömung aus einem Behälter durch eine Öffnung dargestellt. An den Punkten a, b, c und d sind die Geschwindigkeitsvektoren eingezeichnet. Man sieht, dass ein Strömungsfeld ein effektives Mittel ist, um eine Strömung darzustellen. Werden mehrere Stromlinien zur Untersuchung einer Strömung zusammengefasst, erhält man eine Stromröhre. Wenn die Teilchen des Fluids nur translatorische Bewegungen ausführen, spricht man von einer wirbelfreien Strömung. Führen die Teilchen Rotationsbewegungen um ihre eigene oder eine andere Achse aus, handelt es sich um einen Wirbel (vortex). Ändert sich die Geschwindigkeit weder in einer Stromlinie noch im Strö-
3 Bewegte Fluide
49
mungsfeld, d. h., der Geschwindigkeitsvektor hat überall die gleiche Richtung und den gleichen Betrag, spricht man von einer gleichförmigen oder uniformen Strömung.
3.2
Sichtbarmachung von Strömungen
In vielen Fällen ist es notwendig, eine Strömung sichtbar zu machen. Dieses bedeutet, dass ein Strömungsfeld erstellt wird, in dem an den interessierenden Punkten die Geschwindigkeitsvektoren eingezeichnet werden. Die Sichtbarmachung einer Strömung kann mit experimentellen oder rechnerischen Verfahren erfolgen. 3.2.1
Experimentelle Sichtbarmachung
In den Bildern 3.2 und 3.3 sind experimentell sichtbar gemachte Strömungen dargestellt. Zur Sichtbarmachung verwendet man möglichst kleine Fremdkörper, die der Strömung ohne merkliche Verzögerung folgen. Die Teilchen werden mit fotografischen Verfahren erfasst. Mit der Belichtungszeit kann man aus der Länge der fotografierten Teilchenbahnen die Geschwindigkeit der Teilchen bestimmen. Solche Aufnahmen stellen bereits Vektorfelder dar. In Gasen können als Teilchen Rauch oder Nebel verwendet werden. In Flüssigkeiten erfolgt die Sichtbarmachung meist durch die auf der Oberfläche mitströmenden Aluminiumflitter. Andere photographische Methoden sind die Erfassung der Teilchenbewegung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera oder die Sichtbarmachung in einer Laserlichtebene.
Bild 3.2: Strombahnen auf einer Wasseroberfläche schwimmender Partikel [3.1]
50
3 Bewegte Fluide
Bild 3.3: Rauchspuren um einen Tragflügel [3.1]
Eine weitere Methode der Sichtbarmachung ist die Messung der Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Orten und die Auftragung der Geschwindigkeitsvektoren in einem Diagramm. Auf die Methoden der Geschwindigkeitsmessung wird in Kapitel 12 eingegangen. 3.2.2
Rechnerische Erfassung von Strömungsfeldern
In einigen einfachen Fällen ist die Berechnung von ein- oder zweidimensionalen Strömungsfeldern mit analytischen Methoden, wie sie später bei der laminaren Rohrströmung gezeigt werden, möglich. Heute verwendet man Computermodelle zur Voraussage der Geschwindigkeitsvektoren dreidimensionaler Strömungsfelder.
3.3
Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltungssatz)
3.3.1
Massenstrom und Volumenstrom
In Bild 3.4 ist die Strömung eines Fluids mit der Geschwindigkeit c durch ein Flächenelement dA dargestellt. Zur Bestimmung des Massentransfers ist nur die Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht zum Flächenelement steht, maßgebend. Die über eine Fläche A pro Zeiteinheit übertragene Masse ist der Massenstrom m (mass flow rate). Er berechnet sich als:
3 Bewegte Fluide
m
³ U c
n
dA
A
51
(3.5)
Dabei ist ρ die lokale Dichte und cn die lokale Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Fläche A. Die Einheit des Massenstromes ist kg/s. c
cn
dA .
A
Bild 3.4: Zur Bestimmung des Massenstromes
Dass die zur Austrittsfläche normale Komponente für die Bestimmung des Massenstromes notwendig ist, kann am Beispiel eines Rohres, das mit einem Fluid konstanter Dichte und uniformer Geschwindigkeit c durchströmt wird und dessen Ende unter einem Winkel von z. B. 20° schräg abgeschnitten ist, demonstriert werden (Bild 3.5). r
c
Austrittsfläche cn b D a
c
Bild 3.5: Strömung in einem Rohr mit schrägem Austritt
Im Rohr ist die Geschwindigkeit zur Querschnittsfläche des Rohres stets konstant. Da die Dichte ebenfalls konstant ist, erhält man aus Gl. (3.5):
m
U c S r 2
Am Rohrende ist die Querschnittsfläche für die Ausströmung eine Ellipse mit den Halbachsen a = r/sinα und b = r. Das Integral der Fläche ist A S r 2 / sin D . Da aus dem Rohr seitlich keine Masse verschwinden kann, muss am Rohrende der gleiche Massenstrom wie im Rohr strömen. Diesen Massenstrom erhalten wir mit der zur Austrittsfläche senkrechten Geschwindigkeitskomponente cn c sin D . In den meisten Anwendungsfällen ist die Dichte über der Fläche des interessierenden Strömungsquerschnitts konstant. An Stelle lokaler Normalkomponenten der
52
3 Bewegte Fluide
Strömungsgeschwindigkeit kann ein mittlerer Wert der Normalkomponente der mittleren Geschwindigkeit verwendet werden. Der Massenstrom ist damit: m
U cn A
(3.6)
In den Fällen, in denen die Geschwindigkeit c normal zum Strömungsquerschnitt steht, kann statt der Normalkomponente die Geschwindigkeit selbst eingesetzt werden.
m
U c A
(3.7)
In der Praxis ist die lokale Geschwindigkeit meist unbekannt bzw. nur bedingt messbar. Der Massenstrom kann in der Regel einfach bestimmt werden. Mit Gl. (3.7) wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit berechnet. In vielen Fällen ist man an Stelle des Massenstromes am Volumenstrom (volume flow rate) interessiert. Er berechnet sich als: V
³c
n
dA
m
A
U
cn A
(3.8)
Die Einheit des Volumenstromes ist m3/s. BEISPIEL 3.1: Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit, des Massen- und Volumenstromes In einem Rohr kreisförmigen Querschnitts mit 50 mm Innendurchmesser strömt Wasser. Messungen ergeben für die Geschwindigkeitsverteilung über dem Strömungsquerschnitt die Funktion c(r) = c0 . (1 – r / R)1/7. R ist der Radius des Rohres, r die radiale Zylinderkoordinate und c0 die Geschwindigkeit in der Rohrmitte, die mit 2,51 m/s ermittelt wurde. Die Dichte des Wassers beträgt 1'000 kg/m3. Zu bestimmen sind: a) die mittlere Geschwindigkeit des Wassers b) der Massenstrom c) der Volumenstrom. Lösung Schema
Siehe Skizze
Annahmen • • •
Die Strömung ist stationär. Die Dichte des Wassers ist konstant. Die Strömung ist zylindersymmetrisch.
R
r
c( r)
53
3 Bewegte Fluide
Analyse a) Die mittlere Geschwindigkeit wird berechnet, indem die lokale Geschwindigkeit über die Fläche integriert und durch die Fläche geteilt wird. c
1 c( r ) dA A A
³
Da wir ein kreissymmetrisches Problem haben, ist die Geschwindigkeit nur vom Radius r abhängig. Damit kann das Flächenelement dA durch den Radius r ausgedrückt werden. dA
2 S r dr
In das Integral eingesetzt, erhält man unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsfunktion: R
1 c0 (1 r / R)1 / 7 2 S r dr S R2 0
c
³
R R ª º 7 R 7R «r (1 r / R) 8 / 7 dr » (1 r / R ) 8 / 7 8 8 «¬ »¼ 0 0 R 2 c 7 R2 7 20 (1 r / R )15 / 7 c0 0,817 2,05 m/s 0 8 15 R
2 c0 R2
b)
Der Massenstrom wird mit Gl. (3.7) bestimmt. m
c)
³
A U c
S R2 U c
S 0,025 2 m 2 1'000
kg m 2,05 3 s m
4,025 kg/s
Der Volumenstrom ist nach Gl. (3.8): V
m
U
4,025 kg/s 1'000 kg/m 3
4,025 10 3 m 3 /s
Diskussion Bei bekannter Geschwindigkeitsverteilung ist die Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit möglich. Sie kann, wenn die Verteilung symmetrisch und Geometrie einfach ist, analytisch berechnet werden. Komplexere Probleme behandelt man mit grafischen oder nummerischen Methoden.
54
3 Bewegte Fluide
In einem Kontrollraum, dem aus mehreren Eintritten Massenströme zugeführt und über mehrere Austritte Massenströme abgeführt werden, kann sich die Masse des Fluids mit der Zeit verändern. Da keine Masse verloren gehen kann, gilt: dm dt
¦ (m ) ¦ (m ) e i
a
i
(3.9)
j
j
Gleichung (3.9) ist der allgemein gültige Massenerhaltungssatz (principle of mass conversation). Er besagt, dass die zeitliche Massenänderung in einem Kontrollraum die Summe der zu- abzüglich der Summe der abströmenden Massenströme ist. Der Index e steht dabei für Eintritt und a für Austritt. Beim stationären Fall verändert sich die Masse im Kontrollraum nicht, die linke Seite der Gleichung (3.9) wird zu null und es gilt:
¦ (m ) ¦ (m ) e i
i
a
(3.10)
j
j
Im stationären Fall ist die Summe der eintretenden Massenströme gleich der Summe der austretenden Massenströme. BEISPIEL 3.2: Füllen eines Bassins In ein Bassin mit 30 m2 Grundfläche strömt aus einem Rohr 1 m3/s Wasser. Durch ein Abflussrohr mit 400 mm Durchmesser fließt das Wasser aus dem Bassin wieder ab. Die Abflussgeschwindigkeit ist von der Füllhöhe des Bassins abhängig. Der funktionelle Zusammenhang zwischen der mittleren Ausströmgeschwindigkeit c und der Füllhöhe z ist: c = (2 . g . z)1/2. Dichte des Wassers: 1'000 kg/m3. a) Bestimmen Sie den zeitlichen Verlauf der Füllhöhe und welche Füllhöhe erreicht werden kann. b) Berechnen Sie die dimensionslose Füllhöhe als eine Funktion der dimensionslosen Zeit. Lösung Schema
Systemgrenze
me
Siehe Skizze
Kontrollraum
Annahmen z
• •
Die Strömung ist reibungsfrei. Die Dichte des Wassers ist konstant. z= 0 ma
Aa
A
55
3 Bewegte Fluide
Analyse a) Da zum Kontrollraum nur ein Ein- und auch nur ein Austritt vorhanden sind, kann Gl. (3.9) vereinfacht werden. dm dt
m e m a
Der einströmende Massenstrom ist gegeben. Die zeitliche Änderung der Masse im Kontrollraum errechnet sich als: dm dt
U A
dz dt
Der Massenstrom aus dem Ausfluss kann als eine Funktion der Füllhöhe bestimmt werden. m a
U Aa c
U Aa 2 g z
Damit wird die zeitliche Änderung der Masse im Kontrollraum:
U A
dz dt
m e U Aa 2 g z
Nach Umformung erhält man: m e
dz dt
UA
Aa 2 g z A
Zur Lösung führen wir die Variable y ein.
A 2 g z m e a UA A
y
dy dz
Aa 2 g
dz
2 A z
2 A z Aa 2 g
dy
z kann durch y ersetzt werden und damit ist dz: § m e A y · ¸ ¨¨ U A Aa ¸¹ 2 g © a 1
z
dz
Nach Separation der Variablen erhält man:
· A 2 § m e ¨ 1¸ dy Aa2 g ¨© U A y ¸¹
dt
· A 2 § m e ¨ y ¸¸ dy Aa2 g ¨© U A ¹
56
3 Bewegte Fluide
Die Integration von y0 bis y und 0 bis t ergibt: m e y ln ( y y0 ) y0 UA
Aa2 g t A2
y kann durch z ersetzt und die Gleichung nach t aufgelöst werden. t
§ A U 2 g z A m e A ln¨1 a 2 g z 2 ¨ m e Aa g U g Aa ©
· ¸ ¸ ¹
Für die Berechnung muss noch die Fläche Aa bestimmt werden. Aa = 0,25 . π . d2 = 0,1257 m2. Die Gleichung für t liefert nur so lange reale Lösungen, bis der Wert in der Klammer positiv ist. Wenn das Argument des Logarithmus gegen null strebt, geht die Zeit t gegen unendlich. Dabei erreicht der Massenstrom im Ausfluss den Wert des eintretenden Massenstromes. Diese maximale Füllhöhe wird asymptotisch angenähert. Die Gleichung kann nicht analytisch nach z aufgelöst werden. Im nachstehenden Diagramm ist die nummerisch ermittelte Lösung grafisch dargestellt. 3,228 m 3
Füllhöhe in m
2
1
0
1'000
0
2'000
3'000
Zeit in Sekunden
Die asymptotische Füllhöhe erhält man, indem der ein- und austretende Massenstrom gleichgesetzt werden und die Gleichung nach zf aufgelöst wird. m e zf
§ Ve ¨ ¨A © a
2
· 1 ¸ ¸ 2 g ¹
U Aa 2 g z f 2
§ 1 m 3 /s · 1 ¨ ¸ ¨ 0,1257 m 2 ¸ 2 9,81 m/s 2 © ¹
3,228 m
b) Für die dimensionslose Darstellung werden die dimensionslose Länge ξ und die dimensionslose Zeit τ definiert:
57
3 Bewegte Fluide
ȟ
z zf
§ Aa ¨ ¨ V © e
2
· ¸ 2 g z ¸ ¹
W
t t0
Ve t zf A
Ve A
§A ¨¨ a © Ve
2
· ¸ 2 g t ¸ ¹
Die dimensionslose Füllhöhe ξ ist das Verhältnis der Höhe z zur asymptotischen Füllhöhe zf . Die Zeit t0 ist die Zeit, bei der die asymptotische Füllhöhe ohne Abfluss erreicht wird. Damit ist die dimensionslose Zeit τ ein Vielfaches der Zeit t0. In die Ausgangsgleichung eingesetzt, erhalten wir: d[ dW
1 [
Bei der Integration von t = 0 bis t und x = 0 bis x ist die Lösung dieser Gleichung:
W
2 [ [ ln(1 [ )]
Berechnet man z f und t0, kann aus den dimensionslosen Größen die Füllhöhe und die Zeit berechnet werden. z f wurde bereits berechnet. Der Zahlenwert für t0 ist: t0
zf A Ve
3,228 m 30 m 2 1 m 3 /s
96,76 s
Diskussion Bei bekannter Ausflussfunktion kann mit dem Massenerhaltungssatz das Füllen und Leeren eines Behälters mit inkompressiblen Fluiden berechnet werden. Die dimensionslose Darstellung liefert einfachere mathematische Beziehungen und führt zur übersichtlichen Darstellung der allgemeinen Gesetzmäßigkeit. Bei der Wahl der Bezugsgrößen ist darauf zu achten, dass aussagefähige Größen definiert werden. Diese und ähnliche Berechnungen können mit dem Programm FMA0301 erfolgen. Bei einfachen Problemen mit nur einem Ein- und einem Austritt vereinfacht sich Gl. (3.10) und sagt aus, dass der eintretende Massenstrom gleich dem austretenden Massenstrom ist. In einer Leitung mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten (Bild 3.6) gilt:
58
3 Bewegte Fluide 1
2 3
U2 c2
U1 c1
U3 c3
A3
A2
A1
Bild 3.6: Strömung eines Fluids in einer Leitung unterschiedlichen Querschnitts
m
U Ac
U1 A1 c1
U 2 A2 c2
U 3 A3 c3
(3.11)
konst.
Gleichung (3.11) ist die Kontinuitätsgleichung (continuity equation). Ändert sich mit dem Druck die Dichte, ändert sich der Volumenstrom ebenfalls. Nur wenn die Dichte konstant ist, also bei inkompressiblen Fluiden, bleibt der Volumenstrom ebenfalls konstant. In den folgenden Kapiteln wird die mittlere Geschwindigkeit c der Einfachheit halber mit c bezeichnet und bei Verwendung lokaler Geschwindigkeiten extra darauf hingewiesen. BEISPIEL 3.3: Bestimmung des Durchmessers einer Düse Die Düse einer Feuerwehrspritze ist so auszulegen, dass die Geschwindigkeit am Austritt der Düse 50 m/s ist. Der Durchmesser des Wasserschlauchs am Eintritt der Düse beträgt 100 mm. Die Geschwindigkeit im Schlauch ist 6 m/s, die Dichte des Wassers konstant 1'000 kg/m3. 1
2
Lösung Schema
Siehe Skizze
100 mm
6 m/s
50 m/s
Annahmen • • •
Die Strömung ist reibungsfrei. Die Dichte des Wassers ist konstant. Die Geschwindigkeit ist in jedem Strömungsquerschnitt die mittlere Geschwindigkeit.
Analyse Nach der Kontinuitätsgleichung gilt unter Berücksichtigung der konstanten Dichte:
59
3 Bewegte Fluide
c1 A1
c2 A2
Nach der Fläche A2 bzw. nach dem Durchmesser d2 aufgelöst, erhalten wir: A2 A1
d 22 d12
c1 c2
d2
d1 c1 / c2
100 mm 6/50
34,6 mm
Diskussion Bei der Strömung inkompressibler Fluide in einer Leitung ist der Strömungsquerschnitt umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit. BEISPIEL 3.4: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines kompressiblen Fluids In die Düse eines Windkanals strömt Luft mit einer Geschwindigkeit von 40 m/s hinein. Der Eintrittquerschnitt ist 5 mal größer als der des Austritts. Der Druck der Luft beträgt am Eintritt 1,25 bar, am Austritt 1,0 bar. Die Temperatur am Eintritt ist 20 °C, am Austritt 15 °C. Die Gaskonstante der Luft beträgt 287 J/(kg K). Bestimmen Sie die Geschwindigkeit der Luft am Austritt. 1 Lösung Schema
2
Siehe Skizze
p = 1,25 bar - = 20 °C
c1
c2
Annahmen • •
A2
A Die Luft ist ein ideales Gas. Im Strömungsquerschnitt ist die Geschwindigkeit ortsunabhängig.
1
p = 1,0 bar - = 15 °C
=5A2
Analyse Nach der Kontinuitätsgleichung gilt: c1 A1 U1
c2 A2 U 2
An den Stellen 1 und 2 kann die Dichte der Luft mit der idealen Gasgleichung bestimmt werden.
U1
p1 R T1
1,25 10 5 Pa 287 J/(kg K) 293,15 K
1,486 kg/m 3
60
3 Bewegte Fluide
U2
p2 R T2
1,0 10 5 Pa 287 J/(kg K) 288,15 K
1,209 kg/m 3
Für die Geschwindigkeit am Austritt erhält man: c2
A1 U1 c1 A2 U 2
5 1,486 40 m/s 1 1,209
245,7 m/s
Diskussion Bei kompressiblen Fluiden muss die Dichteänderung infolge einer Druck- und Temperaturänderung berücksichtigt werden. Wenn Druck und Temperatur bekannt sind, ist die Dichte idealer Gase einfach zu bestimmen. Es ist wichtig, die richtigen Einheiten einzusetzen.
4
Energieerhaltungssatz
In diesem Kapitel wird zunächst der allgemeine Energieerhaltungssatz formuliert und auf die inkompressiblen reibungsfreien Strömungen angewendet, woraus dann die Bernoulli-Gleichung resultiert. Ihre Anwendung wird bei verschiedenen Problemen demonstriert. Die hier hergeleiteten Ergebnisse für ideale Fluide werden als Vergleichsgrößen bei reibungsbehafteten Strömungen in Kapitel 6 verwendet.
4.1
Allgemeiner Energieerhaltungssatz
Die allgemeine Energieerhaltung (principle of energy conservation) wird im ersten Hauptsatz der Thermodynamik postuliert [4.1]. Zur Herleitung des Energieerhaltungssatzes für die in der Strömungslehre relevanten Form betrachten wir als Kontrollraum eine Rohrleitung veränderlichen Querschnitts (Bild 4.1). Diese Rohrleitung stellt eine Stromröhre dar, in die an der Stelle 1 ein Fluid hinein und an der Stelle 2 heraus fließt. Der Druck an der Stelle 1 ist p1, die geodätische Höhe z1 und die Strömungsgeschwindigkeit c1. An der Stelle 2 ist der Druck p2, die geodätische Höhe z2 und die Geschwindigkeit c2. Da in die Stromröhre ein Fluid hinein und auch heraus fließt, handelt es sich um ein offenes System. In den meisten für die Strömungslehre relevanten Fällen ohne Phasenumwandlung (Verdampfung oder Kondensation) kann der Einfluss der zu- oder abgeführten Wärme vernachlässigt werden. A1
1 Systemgrenze Kontrollraum
z1 p
1
U1
c
2
A2 z2 c2 p2
U2
Bild 4.1: Zur Herleitung des Energieerhaltungssatzes
62
4 Energeierhaltungssatz
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik lautet die Energieerhaltung für offene Systeme mit einem Ein- und einem Austritt: ª º c2 c2 P Q m «h2 h1 2 1 g ( z 2 z1 )» 2 2 ¬ ¼
dE dt
dE dt
(4.1)
2
Q m v dp m j12 m (h2 h1 )
³
(4.2)
1
Der Strömung wird von außen keine Leistung P in Form technischer Arbeit zugeführt. Durch Gleichsetzung beider Gleichungen erhält man: 2
³
v dp j12
1
ªc2 c2 º « 2 1 g ( z 2 z1 )» 2 ¬2 ¼
(4.3)
Diese spezielle Form des Energieerhaltungssatzes sagt aus, dass die Summe aus der Druckänderungs- und Dissipationsarbeit (Reibungsarbeit) gleich der Änderung der kinetischen und potentiellen Energie ist. Die Bestimmung der Druckänderungsarbeit und die Dissipation erfordern je nach Strömung komplexe Berechnungen, auf die später noch eingegangen wird. In den folgenden Abschnitten beschäftigen wir uns zunächst mit der Energiebilanz idealer inkompressibler Fluide. 4.1.2
Energieerhaltung in der Strömung inkompressibler Fluide
Unter Berücksichtigung der konstanten Dichte und Multiplikation mit ρ erhält man nach Kürzung: p2 p1 j12 U
ª c 2 U c12 U º « 2 g U ( z 2 z1 )» 2 ¬ 2 ¼
(4.4)
Die Größe j12. ρ wird in der Strömungslehre als Reibungsdruckverlust ∆pv bezeichnet. Dessen Berechnung wird in Kapitel 6 behandelt. In den folgenden Abschnitten werden zunächst die Gesetzmäßigkeiten der idealen Fluide, d. h. die der inkompressibel reibungsfrei strömende Fluide besprochen. 4.1.3
Energieerhaltung in Strömungen idealer Fluide
Ideale Fluide zeichnen sich dadurch aus, dass sie inkompressibel sind und dass weder im Fluid noch an den Wänden Reibung entsteht. Bei idealen Fluiden kann in Gl. (4.4) der Reibungsterm weggelassen werden. Unter der Berücksichtigung, dass die Gleichung an jeder Stelle des Kontrollraums gilt, erhält man nach Umformungen:
63
4 Energeierhaltungssatz
§ c2 · p1 U ¨¨ 1 g z1 ¸¸ © 2 ¹
§ c2 · p 2 U ¨¨ 2 g z 2 ¸¸ © 2 ¹
§ c2 · p U ¨¨ g z ¸¸ © 2 ¹
konst. (4.5)
Diese Gleichung wird Bernoulli-Gleichung genannt. Der erste Term ist der Kolbendruck, der zweite der dynamische Druck und der dritte der bereits bekannte Schweredruck. Bei der Strömung idealer Fluide in Leitungen nicht poröser Wände ist die Summe aus dem Kolbendruck, dynamischen Druck und Schweredruck konstant. Der Druck in der Strömung eines idealen Fluids wird außer vom Kolben- und Schweredruck auch noch durch den dynamischen Druck, welcher durch die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht wird, bestimmt. Die Bernoulli-Gleichung ist ein Sonderfall des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für reibungsfreie, isolierte, adiabate Systeme bei isochorer Zustandsänderung. Einfacher ausgedrückt: Die Bernoulli-Gleichung ist der Sonderfall für adiabate Strömungen idealer Fluide. 4.1.4
Der dynamische Druck
Gleichung (4.5) zeigt, daß sich der Druck aus dem statischen und dynamischen Druck (head pressure) zusammensetzt. Der statische Druck besteht bekanntlich aus dem Kolbendruck p und dem hydrostatischen Druck g . r . z. Damit ist der dynamische Druck: pdyn
1 U c2 2
(4.6)
Er ist immer dann vorhanden, wenn die Strömung eine Geschwindigkeit hat. Im Gegensatz zum statischen Druck übt der dynamische Druck keine Kraftwirkung senkrecht zur Strömung aus. Er hat also keine Kraftwirkung auf die Rohrwand. Ändert sich die Geschwindigkeit der Strömung, wird dynamischer Druck in statischen Druck umgewandelt und umgekehrt. Strömt z. B. ein Fluid von einem Rohr in einen großen Behälter, in dem die Strömungsgeschwindigkeit annähernd null wird, erhöht sich dort der Druck um den dynamischen Druck, den das Fluid im Rohr hat. Eine andere Formulierung der Bernoulli-Gleichung sagt: Bei der Strömung idealer Fluide ist die Summe der statischen und dynamischen Drücke konstant.
64
4 Energeierhaltungssatz
In einem waagerechten Rohr konstanten Strömungsquerschnitts bleibt der Druck bei der Strömung idealer Fluide konstant. In einem waagerechten Rohr veränderlichen Strömungsquerschnitts bewirkt gemäß Kontinuitätsgleichung eine der Strömungsquerschnittsänderung entsprechende Geschwindigkeitsänderung und verursacht damit eine Änderung des statischen Druckes. Bei nicht waagerechten Rohren entsteht durch den Schweredruck eine zusätzliche Änderung des statischen Druckes. Praktisch angewendet wird diese Gesetzmäßigkeit zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit, des Massen- und Volumenstromes, zur Berechnung der Ausflussgeschwindigkeiten aus Behältern und bei Strahlpumpen.
4.2
Anwendung der Bernoulli-Gleichung
4.2.1
Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
Bringt man einen Körper in eine Strömung, ist die Strömungsgeschwindigkeit am vorderen Staupunkt gleich null. Dort erhöht sich der Druck um den dynamischen Druck des Fluids. Hat man an dieser Stelle eine Bohrung zur Druckmessung, kann der dynamische Druck des Fluids bestimmt werden. Einfachheitshalber betrachten wir eine Flüssigkeit in einem horizontalen Rohr konstanten Querschnitts. In diesem Fall hat der hydrostatische Druck keinen Einfluß. Bild 4.2 zeigt eine solche Strömung. An der Rohrwand wird ein Glasrohr (Piezorohr) angeschlossen, in dem eine Flüssigkeitssäule entsteht, deren hydrostatischer Druck dem statischen Druck der Strömung an der Wand entspricht. In der Mitte der Strömung wird ein gebogenes Rohr (Pitotrohr) angebracht, dessen Öffnung gegen die Strömungsrichtung gerichtet und durch die Rohrwand geführt ist. Der statische Druck der Flüssigkeitssäule im Pitotrohr entspricht dem Gesamtdruck, also dem statischen plus dem dynamischen Druck. ptot
Stagnationspunkt Piezorohr pst
.
1
.
pdyn
c
Pitotrohr
. 2
Bild 4.2: Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit einem Pitotrohr
Der dynamische Druck ist die Differenz beider Drücke. Aus dem dynamischen Druck kann mit den Gln. (4.5) und (4.6) die Geschwindigkeit der Strömung bestimmt werden.
4 Energeierhaltungssatz
c
2 p dyn
2 ( p ges p st )
U
U
65
(4.7)
Das Rohr zur Messung des Gesamtdruckes (Summe des statischen und dynamischen Druckes) wird Pitotrohr, jenes zur Messung des statischen Druckes Piezorohr genannt. Der statische Druck ist der Druck, der Kräfte auf die Wand ausübt und deshalb Wanddruck heißt. Bei der Strömung nicht idealer Flüssigkeiten ist die Geschwindigkeit im Rohrquerschnitt nicht konstant, der statische Druck in der Strömung kann sich verändern. Dies ist ebenfalls dann der Fall, wenn das Rohr nicht waagerecht ist. Deshalb wird zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit meist ein Prandtlrohr verwendet (Bild 4.3). Gesamtdruck
statischer Druck
c
Druckbohrungen für den statischen Druck
Bild 4.3: Prandtlrohr Es besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren. Das innere Rohr hat eine Öffnung am vorderen Staupunkt und dient zur Messung des Gesamtdruckes. Am äußeren Rohr sind am Umfang einige Löcher angebracht, mit denen der lokale statische Druck bestimmt werden kann. Die Druckdifferenz zwischen dem Innen- und Außenrohr ist der dynamische Druck. Prandtlrohre kann man mit sehr kleinen Abmessungen (ca. 1 mm Außendurchmesser) fertigen. Damit wird die lokale Strömungsgeschwindigkeit mit vernachlässigbarer Störung der Strömung bestimmt. Mit einem Prandtlrohr ist nach Gl. (4.7) die Strömungsgeschwindigkeit sowohl inkompressibler als auch kompressibler Fluide ohne weitere Eichung recht genau bestimmbar. In kompressiblen Fluiden muss bei hohen Geschwindigkeiten die Kompressibilität berücksichtigt werden (siehe Kapitel 12).
66
4 Energeierhaltungssatz
BEISPIEL 4.1: Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem waagerechten Rohr Mit einem Prandtlrohr wird die Strömungsgeschwindigkeit von Wasser in einem Rohr gemessen. Mittels eines Differenzdruckmessgerätes liest man eine Druckdifferenz von 150 mbar ab. Die Dichte des Wassers ist 1'000 kg/m3. Bestimmen Sie die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers. Lösung 'p
Schema
Siehe Skizze
Annahme c
•
Das Wasser ist inkompressibel.
Analyse Das Differenzdruckmessgerät zeigt direkt den dynamischen Druck als die Differenz des Gesamt- und des statischen Druckes an. Die Strömungsgeschwindigkeit ist nach Gl. (4.7): c
2 p dyn
U
2 15'000 N/m 2 1'000 kg/m 3
5,48 m/s
Diskussion Mit dem Prandtlrohr ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit sehr einfach. Die aus dem gemessenen Differenzdruck errechnete Strömungsgeschwindigkeit ist die lokale, am Ort des Prandtlrohres vorherrschende Geschwindigkeit. Es ist darauf zu achten, dass das Prandtlrohr parallel zu der zu messenden Geschwindigkeit ausgerichtet ist. BEISPIEL 4.2: Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem senkrechten Rohr Die Strömungsgeschwindigkeit von Heizöl in einem senkrechten Rohr wird mit einem Prandtlrohr gemessen. Die Druckdifferenz liest man an einer Quecksilbersäule ab. In nachfolgender Skizze sind die Anordnung des Prandtlrohres und Höhenquoten dargestellt. Die Dichte des Öls ist 850 kg/m3, die des Quecksilbers 13'600 kg/m3. Bestimmen Sie die Strömungsgeschwindigkeit des Öls.
67
4 Energeierhaltungssatz
Lösung Öl
Schema
Siehe Skizze
1
5 mm
2
Annahme •
c
Das Öl ist inkompressibel.
300 mm 360 mm
Analyse
Der für den dynamischen Druck maßzHg gebliche Differenzdruck ist der Gesamtdruck p1 am Eintritt 1 des Prandtlrohres z Quecksilber 0 minus statischer Druck pst auf der Höhe des Prandtlrohreintritts. Dieser Druck ist derjenige an der Druckbohrung 2 abzüglich des hydrostatischen Druckes der 5 mm hohen Ölsäule. Auf Höhe z0 ist der Druck in beiden Schenkeln des U-Rohres gleich groß. Damit gilt: p1 g U Öl ( z1 z 0 )
p 2 g U Öl ( z 2 z Hg ) g U Hg ( z Hg z 0 )
Nach Umformung erhalten wir für den dynamischen Druck:
'p dyn
p1 p2 g U Öl ( z 2 z1 )
g 'z Hg ( U Hg U Öl )
g U Hg ( z Hg z 0 ) g U Öl ( z Hg z 0 )
2
9,81 m/s 0,06 m (13'600 850) kg/m 3
7'505 Pa
Die Geschwindigkeit ist damit: c
2 p dyn
U
2 7'505 N/m 2 850 kg/m 3
4,20 m/s
Diskussion Bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mit dem Prandtlrohr in senkrechten Rohren müssen bei Flüssigkeiten die Höhen der Flüssigkeitssäulen berücksichtigt werden. In unserem Fall würde die Nichtberücksichtigung beim dynamischen Druck 6,7 %, bei der Geschwindigkeit 3,3 % Fehler bedeuten. 4.2.2
Bestimmung des Massen- und Volumenstromes
Bringt man in einem Rohr konstanten Querschnitts (Bild 4.4) eine Verengung an, werden die Strömungsgeschwindigkeit dort erhöht und der Wanddruck entsprechend verringert. Die in Bild 4.4 dargestellte Verengung heißt Venturidüse.
68
4 Energeierhaltungssatz
1
2
c2
c1
A1
A2
Bild 4.4: Zur Bestimmung des Massenstromes mit einer Venturidüse
Nach Gl. (4.5) erhält man für die Druckdifferenz an den Stellen 1 und 2 folgenden Zusammenhang:
'p
p1 p2
1 U (c22 c12 ) 2
(4.8)
Nach der Kontinuitätsgleichung können die Strömungsgeschwindigkeiten aus dem Massenstrom und Strömungsquerschnitt folgendermaßen bestimmt werden: m A1 U
c1
c2
m A2 U
(4.9)
Die Geschwindigkeiten in Gl. (4.8) eingesetzt, ergeben für die Druckdifferenz:
'p
m 2 2 U
§ 1 1 · ¨¨ 2 2 ¸¸ © A2 A1 ¹
m 2 2 U A22
§ A2 · ¨¨1 22 ¸¸ © A1 ¹
(4.10)
Nach dem Massenstrom aufgelöst, ergibt sich:
m
2 'p U 1 1 A22 A12
A2
2 'p U A2 1 22 A1
A1
2 'p U A12 1 A22
(4.11)
Durch die Dichte dividiert, erhält man den Volumenstrom: V
2 'p § 1 1 · ¨¨ 2 2 ¸¸ U © A2 A1 ¹
A2
2 'p § A22 · ¨¨1 2 ¸¸ U © A1 ¹
A1
2 'p § A12 · ¨¨ 2 1¸¸ U © A2 ¹
(4.12)
Damit können bei bekannter Dichte des Fluids und bekanntem Verhältnis der Strömungsquerschnitte aus der Messung der Druckdifferenz der Massen- und Volu-
69
4 Energeierhaltungssatz
menstrom bestimmt werden. Für die wirkliche Messung des Massen- oder Volumenstromes mit Venturidüsen oder anderen Drosselorganen muss bei realen Fluiden der Einfluss der Reibung, Kompressibilität und Geschwindigkeitsverteilung berücksichtigt werden. Dies geschieht durch Korrekturfaktoren, die in Kapitel 12 behandelt werden. BEISPIEL 4.3: Messung des Massenstromes mit einer Venturidüse In einer Rohrleitung mit 100 mm Innendurchmesser, in der Luft strömt, ist eine Venturidüse eingebaut. Der Durchmesser ist am engsten Querschnitt 50 mm. Mit einem wassergefüllten U-Rohr wird zwischen dem Düseneintritt und der engsten Stelle der Düse ein Differenzdruck von 200 mm Wassersäule gemessen. Die Dichte des Wassers beträgt 1'000 kg/m3, die der Luft 1,145 kg/m3. Bestimmen Sie den Massen- und Volumenstrom der Luft. Lösung Schema
Siehe Skizze
D = 100 mm
d = 50 mm
Annahmen 1
2
z = 200 mm Die Luft ist ein inkompressibles Fluid. z = 0 mm Bei der Differenzdruckmessung wird die Höhe der Luftsäule vernachlässigt. Die Geschwindigkeit über den Strömungsquerschnitten ist konstant.
•
2
•
1
•
Analyse Da die Luftsäule vernachlässigt wird, kann der dynamische Druck direkt aus der Wassersäule bestimmt werden.
'p
g 'z H 2O U H 2O
9,81 m/s 2 0,2 m 1'000 kg/m 3
1'962 Pa
Der Massenstrom ist nach Gl. (4.11): m
S D2 4
2 'p U D4 1 d4
2 1'962 Pa 1,145 kg/m 3 ʌ 0,12 m 2 4 (0,1/0,05) 4 1
0,1359 kg/s
Indem der Massenstrom durch die Dichte geteilt wird, erhält man den Volumenstrom.
70
4 Energeierhaltungssatz
V
m
U
0,1395 kg/s 1,145 m 3 /kg
0,1187 m 3 /s
Diskussion Die Bestimmung des Massen- und Volumenstromes kann unter Annahme des idealen Fluids mit Gl. (4.11) erfolgen. Die Luft ist ein kompressibles Fluid. Bei der angegebenen Dichte ist der Druck der Luft bei einer Temperatur von 20 °C ca. 1 bar. Die Druckänderung beträgt nur 2 % des Absolutdruckes, die Luft kann in guter Näherung als inkompressibel angenommen werden. Reibungseffekte, die die Messung wesentlich stärker beeinflussen, wurden hier nicht berücksichtigt. 4.2.3
Berechnung der Ausflussgeschwindigkeit aus einem Behälter
Bild 4.5 zeigt einen Behälter mit dem Querschnitt A, in dem sich eine ideale Flüssigkeit befindet. Der Behälter ist bis zur Höhe z mit der Flüssigkeit gefüllt, d. h., die freie Flüssigkeitsoberfläche ist auf dieser Höhe. Auf der Höhe za ist ein Austrittsstutzen mit dem Strömungsquerschnitt Aa installiert, aus dem die Flüssigkeit nach außen strömt. Die Höhe der freien Oberfläche z wird durch zuströmende Flüssigkeit konstant gehalten. Auf die freie Oberfläche wirkt der Druck p, der Außendruck ist pa . Am Austrittsstutzen muss der Druck gleich dem Außendruck sein, da sich der Strahl am Austritt nicht erweitert und somit Geschwindigkeit und Druck konstant bleiben. An der freien Oberfläche hat die Flüssigkeit die Strömungsgeschwindigkeit c, am Austritt ca. Nach Gl. (4.5) gilt:
p A
z
Aa pa
za
Bild 4.5: Ausfluss aus einem Behälter
1 p U c2 g U z 2
pa
1 U ca2 g U z a 2
(4.13)
In Gl. (4.13) kann aus der Kontinuitätsgleichung die Strömungsgeschwindigkeit c bestimmt und eingesetzt werden. Die Ausströmgeschwindigkeit ca ist:
71
4 Energeierhaltungssatz
ca
2 ( p pa ) / U 2 g ( z z a ) 1 ( Aa / A) 2
(4.14)
Bei offenen Behältern ist der Außendruck gleich dem Behälterdruck. Wenn der Strömungsquerschnitt des Behälters viel größer als der des Ausflusses ist, kann die Geschwindigkeit c vernachlässigt werden. Damit erhält man folgende vereinfachte Gleichung: ca
(4.15)
2 g ( z za )
In diesem Fall ist die Ausflussgeschwindigkeit nur noch von der Füllhöhe z abhängig. Gl. (4.15) ist die Ausflussformel von Toricelli. In den meisten Fällen interessiert nicht die Ausflussgeschwindigkeit, sondern der Massenstrom. Dieser kann mit Gl. (3.7) bestimmt werden. m
ca U Aa
U Aa 2
( p pa ) / U g ( z z a ) 1 ( Aa / A) 2
(4.16)
Die Ausflussgeschwindigkeit aus dem Behälter verändert sich mit der Füllhöhe z. Wenn also die Füllhöhe nicht durch nachfließende Flüssigkeit konstant gehalten wird, verändert sie sich und damit auch die Ausflussgeschwindigkeit. Der Behälter entleert sich. Für diesen Vorgang kann die Zeit τ berechnet werden. Der Massenstrom am Ausfluss ist die zeitliche Massenänderung im Behälter. Man bestimmt sie als zeitliche Änderung der Füllhöhe. dV dz U A (4.17) dt dt Das negative Vorzeichen ergibt sich, weil der Massenstrom positiv und die zeitliche Änderung der Füllhöhe negativ ist. Die Gln. (4.16) und (4.17) können gleichgesetzt werden. Damit erhält man folgende Differentialgleichung: m
dz dt
U
2
( p pa ) / U g ( z z a ) ( A / Aa ) 2 1
(4.18)
Nach Separation der Variablen kann Gl. (4.18) integriert und die Entleerungszeit τ des Behälters bestimmt werden: za
³ z
dz 2 ( p pa ) / U 2 g ( z z a )
W
³ 0
dt ( A / Aa ) 2 1
Die Integration wird mit folgender Substitution durchgeführt:
(4.19)
72
4 Energeierhaltungssatz
y
2 ( p pa ) / U 2 g ( z z a )
dy dz
ya
2 g
dy
³ 2 g
y
y
y
y g
ya
Damit erhält man für das Integral: 2 ( p pa )
U
2 g ( z za )
2 ( p pa )
U
g W
(4.20)
( A / Aa ) 2 1
Gl. (4.20) nach der Ausströmzeit τ aufgelöst, ergibt:
W
2 ( p p a ) ·¸ 1 §¨ 2 ( p pa ) ( A / Aa ) 2 1 (4.21) 2 g ( z za ) ¸ g ¨© U U ¹
Für die in Gl. (4.15) gemachten vereinfachenden Betrachtungen erhält man aus Gl. (4.21):
W
2 ( z za ) A Aa g
(4.22)
BEISPIEL 4.4: Ausströmen von Wasser aus einem Behälter Aus einem zylindrischen offenen Behälter mit 0,4 m2 Querschnitt strömt Wasser durch eine Austrittsöffnung mit dem Querschnitt von 0,001 m2 in die Umgebung. Der Behälter ist bis auf 0,5 m oberhalb der Austrittsöffnung gefüllt. Dichte des Wassers: 1'000 kg/m3. Zu bestimmen sind: a) die Zeit, in der das Niveau um 10 cm gesunken ist b) die Zeit, in der das Niveau die Höhe der Austrittsöffnung erreicht c) die Masse des Wassers, die nach 100 s ausgeströmt ist. Lösung A
Schema
pa z
Siehe Skizze 0,5 m
Aa
Annahmen • •
pa
za
Da die Austrittsöffnung 400-mal kleiner als der Behälterquerschnitt ist und der Druck am Austritt und im Behälter gleich groß ist, kann mit Gl. (4.15) gerechnet werden. Das Wasser ist inkompressibel und strömt reibungsfrei.
73
4 Energeierhaltungssatz
Analyse a) Mit den gemachten Annahmen und mit za = 0 erhält man eine vereinfachte Gleichung (4.17). A dz a 2 g z dt A Nach Separation der Variablen erhalten wir:
dz z
Aa 2 g dt A
Die Integration von der Ausgangshöhe z1 bis zur gegebenen Höhe z2 ergibt die gesuchte Zeit t2. 2 ( z 2 z1 ) t2
Aa 2 g t2 A
2 A ( z1 z 2 )
2 0,4 m 2 0,5 m 0,4 m
Aa 2 g
0,001 m 2 2 9,81 m/s 2
13,48 s
b) Die Entleerungszeit erhalten wir, wenn wir zuvor in der Gleichung die Höhe z2 gleich null setzen. t2
2 A z1
2 0,4 m 2 0,5 m
Aa 2 g
0,001 m 2 2 9,81 m/s 2
127,7 s
c) Zur Bestimmung der Masse muss zunächst die Höhe, die nach 100 s erreicht wird, berechnet werden. Die in Teilaufgabe a) ermittelte Gleichung wird nach z2 aufgelöst. z2
A § · ¨ z1 a 2 g t 2 ¸ 2 A © ¹
2
§ 0,001 · ¨¨ 0,5 2 9,81 100 ¸¸ 2 0 , 4 © ¹
2
0,0235 m
Die Masse erhalten wir, indem wir die Masse des Wassers zwischen den Höhen von 0,5 m und 0,0235 m bestimmen.
m
A U ( z1 z 2 )
0,4 m 2 1'000 kg/m3 (0,5 0,0235) m 190,6 kg
Diskussion Mit Hilfe der gegebenen Gleichungen ist die Bestimmung der Ausströmzeit und der ausgeströmten Masse leicht möglich.
74 4.2.4
4 Energeierhaltungssatz
Strahlpumpen
bestehen im Prinzip aus einer Verengung und nachfolgender Erweiterung des Strömungsquerschnitts einer Leitung, in der das Treibfluid strömt. Im abnehmenden Strömungsquerschnitt verringert sich wegen der Beschleunigung der Strömung der Druck. An der engsten Stelle entsteht der tiefste Druck, an der das Arbeitsfluid angesaugt wird. In nachfolgender Querschnittserweiterung nimmt der Druck wegen der Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit zu, das Treib- und Arbeitsfluid werden auf einen höheren Druck gebracht. Bild 4.6 zeigt eine Strahlpumpe schematisch. 3 1 Treibfluid
pa
2 c1
c3
c2
Arbeitsfluid
p
Bild 4.6: Strahlpumpe
Das Treibfluid wird wegen der Verengung des Strömungsquerschnitts von Geschwindigkeit c1 auf Geschwindigkeit c2 beschleunigt. Damit sinkt an Stelle 2 der statische Druck. Hier kann nun durch eine Öffnung das Arbeitsfluid aus einem System angesaugt werden. In der Erweiterung des Strömungsquerschnitts wird das Fluid, jetzt aus dem Treib- und Arbeitsfluid bestehend, abgebremst. Dabei erhöht sich der Druck bis zum Austritt der Strahlpumpe. Der minimale Druck an Stelle 2 ist nach Gl. (4.5): p2
p1 (c12 c22 )
U 2
p1 c12
U § A12
· ¨¨ 2 1¸¸ 2 © A2 ¹
(4.23)
Nach Gl. (4.23) könnte bei entsprechender Wahl des Strömungsquerschnittverhältnisses der Druck negativ werden. Negative Drücke gibt es aber nicht. Damit darf das Querschnittverhältnis höchstens so gewählt sein, dass der Druck p2 positiv bleibt. Das Strömungsquerschnittverhältnis wird durch die Konstruktion bestimmt. Wählt man es zu klein, wird die Strömungsgeschwindigkeit c2 so groß, dass bei Gasen die Kompressibilität des Fluids eine Rolle spielt und die hier hergeleiteten Gesetzmäßigkeiten nicht gelten. Die Kompressibilität des Fluids bildet eine Grenze. Bei Flüssigkeiten stellt die Dampfdruckkurve eine weitere Begrenzung dar. Unterschreitet der Druck der Flüssigkeit den durch die Flüssigkeitstemperatur bestimmten Sättigungsdruck, dampft die Flüssigkeit aus, das Fluid wird kompressibel. Die Erweiterung des Strömungsquerschnitts muss so ausgelegt werden, dass das Fluid am Austritt gerade den Außendruck pa erreicht. Die Geschwindigkeit c3 muss am Austritt entsprechend klein sein, um diesen Druck zu erreichen. Dabei ist die Zu-
75
4 Energeierhaltungssatz
nahme des Massenstromes durch das zugeführte Arbeitsfluid zu berücksichtigen. Bei Strahlpumpen mit Treibflüssigkeit können Gas oder Flüssigkeit als Arbeitsfluid verwendet werden. Bei gasförmigem Treibfluid wird üblicherweise auch das Arbeitsfluid ein Gas sein. Zur genauen Berechnung einer Strahlpumpe sind Reibung und Kompressibilität des Fluids zu berücksichtigen. 4.2.5
Das hydrodynamische Paradoxon
kann am Beispiel zweier paralleler Platten demonstriert werden. An einer Platte ist ein Rohr angebracht, aus dem ein Fluid in den Spalt zwischen beiden Platten einfließt. Von dort gelangt das Fluid in die Umgebung. Vereinfachend werden zwei kreisförmige Platten genommen. In die Mitte der ersten mündet das Rohr. Diese Platte ist am Rohr befestigt, die zweite ist lose (Bild 4.7). Die Strömung zwischen den Platten erfolgt radial. Diese Vereinfachung schränkt nicht die Allgemeingültigkeit der Aussagen ein, ist jedoch für die Berechnung von Vorteil. R Rohr
Rohr
Platte Platte ca
ca
Gegenplatte
r
Gegenplatte
ca
p
pa
Bild 4.7: Hydrodynamisches Paradoxon
Am Rand der Platten ist der Druck gleich dem Außendruck pa und die Strömungsgeschwindigkeit beträgt ca. Der lokale Druck p zwischen den Platten kann nach Gl. (4.5) bestimmt werden. p
p a (c 2 ca2 )
U
(4.24) 2 Die Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Platten ergibt sich aus der Kontinuitätsgleichung. c
ca
Aa A
ca
2 S R s 2 S r s
ca
R r
(4.25)
76
4 Energeierhaltungssatz
Die Geschwindigkeit c in Gl. (4.24) eingesetzt, ergibt: p
p a ca2
U § R2
· ¨¨ 2 1¸¸ 2 ©r ¹
(4.26)
Der Druck zwischen den Platten ist immer kleiner als der Außendruck. Damit wirkt auf die Platten von außen eine größere Kraft als von innen. Durch die Strömung wird die Gegenplatte angesaugt. Man erwartet jedoch, dass eine nicht befestigte Gegenplatte durch die Strömung weggestoßen wird. Aufgrund dieses Widerspruchs wird dieses Phänomen hydrodynamisches Paradoxon genannt. 4.2.6
Druckänderung senkrecht zur Strömungsrichtung
Die Energiegleichung sagt nur etwas über den Druckverlauf entlang einer Stromröhre aus. Strömt ein Fluidelement auf einer gekrümmten Bahn (Rohrbogen) mit der Geschwindigkeit c, wirkt eine Zentrifugalkraft auf das Fluidelement. Damit es auf seiner Strombahn gehalten wird, muss auf der Außenseite eine größere Druckkraft als auf der Innenseite wirken. Dadurch herrscht auf den äußeren Strombahnen ein höherer Druck als auf den inneren. Das zu betrachtende Fluidelement hat in Strömungsrichtung die Länge ds und senkrecht zur Strömung die Länge dr. Die Breite des Fluidelements ist b. Bild 4.8 zeigt den Verlauf der Strömung. Außenwand ds dr r
p + dp
c
p
ro St lin m n ie
Innenwand
Abb. 4.8: Druckänderung senkrecht zur Strömungsrichtung
Auf ein Teilchen, das auf einer Strombahn mit dem Krümmungsradius r strömt und die Geschwindigkeit c hat, wirkt folgende Zentrifugalkraft dC: dC
r Z 2 dm
U b c 2 ds
dr r
(4.27)
Der Zentrifugalkraft wirkt eine gleich große, nach innen gerichtete Druckkraft dF entgegen: dF
b ds dp
Durch das Gleichsetzen beider Gleichungen erhält man:
(4.28)
4 Energeierhaltungssatz
dp dr
U
c2 r
77
(4.29)
Da die Geschwindigkeit c von r abhängt, muss zur Lösung der Differentialgleichung die Geschwindigkeit als eine Funktion von r bekannt sein. In geraden Rohrleitungen genügt es, den statischen Druck an einer beliebigen Stelle am Rohrumfang zu messen. Bei gekrümmten Rohrleitungen wird außen ein größerer Druck als innen gemessen. 4.2.7
Kavitation
kann in Pumpen, Wärmetauschern und Leistungsverengungen Störungen und Schäden verursachen. Kavitation bedeutet, dass eine Flüssigkeit aufgrund der Druckabsenkung ausdampft und die Dampfblasen bei nachfolgender Druckerhöhung schlagartig kondensieren. Dabei entstehen Druckstöße, die Teile des Wandmaterials herausbrechen können. In einer Verengung (Bild 4.9) eines Strömungskanals wird eine Flüssigkeit beschleunigt, der Druck entsprechend verringert. Senkt sich der Druck unterhalb des Sättigungsdruckes der Flüssigkeit, dampft sie aus, es entstehen Dampfblasen. Wird die Strömungsgeschwindigkeit im weiteren Verlauf der Strömung wegen Vergrößerung des Strömungsquerschnitts wieder verringert und der Druck steigt über den Sättigungsdruck an, kondensieren die Blasen schlagartig. In der Strömung können sich Blasen vereinigen und so größere Blasen bilden, was die Intensität des Druckstoßes, der bei Kondensation entsteht, vergrößert. Kondensation Beginn der Verdampfung der Blasen
p
Bildung größerer Blasen kleiner Massenstrom großer Massenstrom Sättigungsdruck Beginn der Verdampfung
Beginn der Kondensation
Bild 4.9: Zur Erklärung der Kavitation
78
4 Energeierhaltungssatz
Wie aus Bild 4.9 ersichtlich ist, wird die Druckänderung mit zunehmendem Massenstrom größer, d. h., der Druck wird an der engsten Stelle kleiner. Bei Apparaten, die für einen bestimmten Massenstrom ausgelegt wurden und bei diesem kavitationsfrei arbeiten, kann bei höheren Massenströmen Kavitation auftreten.
5
Impulssatz
In diesem Kapitel wird zunächst der allgemeine Impulssatz formuliert, der die Grundlagen für die Beziehungen liefert, die später die Berechnung von Triebwerken und Strömungsmaschinen ermöglichen. Der Impulssatz erlaubt auf einfache Weise die Bestimmung der Strömungskräfte durch die Analyse des Strömungszustands an den Ein- und Austritten eines Systems. An Beispielen mit inkompressiblen Fluiden wird der Impulssatz veranschaulicht. Die spezielle Anwendung auf rotationssymmetrische Körper liefert den Drallsatz und die Euler'sche Strömungsmaschinenhauptgleichung.
5.1
Impulssatz
Mit dem Impulssatz können die Kraftwirkungen, die infolge einer Geschwindigkeits- oder Massenänderung der Strömung auf einen Körper wirken, bestimmt werden. Die Geschwindigkeitsänderung kann sowohl den Betrag als auch die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit betreffen. Die Berechnung der Strömungskräfte auf einen Körper könnte durch die Bestimmung des Druckes an der Oberfläche und den daraus resultierenden Kräften erfolgen. Dies ist in den meisten Fällen nicht oder nur mit entsprechenden Programmen nummerisch möglich. Der Impulssatz gestattet die Ermittlung der Kräfte ohne nähere Kenntnis einzelner Strömungsvorgänge. Es genügt, die Strömungsverhältnisse am Ein- und Austritt des zu untersuchenden Strömungsraums zu kennen. Wie man aus der Mechanik weiß, ist der Impuls (Bewegungsgröße) das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit ist ein Vektor, die Masse eine skalare Größe. Damit ist der Impuls ein Vektor. Der Impulssatz sagt aus, dass in einem Strömungsraum (offenes System) der pro Zeiteinheit ein- und austretende Impulsfluss des Fluids mit den äußeren Kräften im Gleichgewicht ist. Die äußeren Kräfte sind Oberflächen- und Körperkräfte. Oberflächenkräfte können Druckkräfte Fp, die auf die Oberflächen an den Systemgrenzen auf das Fluid wirken und von ihm übertragen werden oder Kräfte, die durch einen festen Körper transferiert werden, sein. Bild 5.1 zeigt die Krafteinwirkung auf eine Düse. In der Regel sind Körperkräfte durch Gravitation verursachte Kräfte, die im Kontrollraum auf die Masse des Fluids wirken, sie können aber auch durch elektrische und magnetische Felder verursachte Kräfte sein.
80
5 Impulssatz
Systemgrenze
1
F
Fp = p .A
2
c1
c2
Kontrollraum
F
Bild 5.1: Die auf eine Düse wirkenden Kräfte
Mathematisch formuliert lautet der Impulssatz:
& & dI ¦ dt ¦ F
0
(5.1)
Um den Impulssatz, angewendet auf eine Strömung, zu erläutern, betrachten wir in Bild 5.2 die Kräfteverhältnisse in der Stromröhre. An Stelle 1 tritt die Masse m1 in die Stromröhre ein, an Stelle 2 die Masse m2 aus. Die Wände des Strömungsraums sind undurchlässig. y
A1
p
1
m1
p 1.A
D1 c1
1
R A2
. m . c1
E
R . m . c2 m2
c2
D2
D D2
x 1
p .A 2
2
p2
Bild 5.2: Zur Erläuterung des Impulssatzes (links Lageplan, rechts Vektoraddition)
Der durch die Masse m1 eingebrachte Impuls ist: & & I1 m1 c1
(5.2)
Der durch die Masse m2 hinausgetragene Impuls ist: & & I 2 m2 c 2
(5.3)
Der pro Zeiteinheit ein- und austretende Impuls ist damit:
81
5 Impulssatz
& dI ¦ dt
& & d (m1 c1 m2 c2 ) dt
& & dc2 & dm2 dc1 & dm1 c1 m2 c2 m1 dt dt dt dt
(5.4)
Bei stationären Strömungen ist die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit gleich null. Die zeitlichen Ableitungen der Massen entsprechen den Massenströmen. Sind sie am Ein- und Austritt gleich groß, ist die zeitliche Impulsänderung:
& dI ¦ dt
& & m (c1 c2 )
&
&
U V (c1 c2 )
(5.5)
Die auf die Strömung wirkenden äußeren Kräfte bestehen aus den Druckkräften und der resultierenden Kraft R aus der Vektoraddition. Druckkräfte wirken senkrecht zur Strömungsrichtung auf die Ein- und Austrittsflächen, die resultierende Kraft R auf die Wand der Stromröhre. Diese Kraft ist aus der geometrischen Addition der Kräfte zu ermitteln (Bild 5.2). Sie wird bei einer zweidimensionalen Betrachtung in ihre x- und y-Komponente zerlegt. Aus der geometrischen Addition erhält man: Ry
(m c1 p1 A1 ) sin D 1 (m c2 p 2 A2 ) sin D 2
Rx
(m c1 p1 A1 ) cos D 1 (m c2 p 2 A2 ) cos D 2
(5.6)
Da in Gl. (5.6) die Beträge der Kräfte gegeben sind und die Richtung durch den Winkel berücksichtigt ist, kann der Massenstrom aus Gl. (3.7) eingesetzt werden.
Ry
( U c12 p1 ) A1 sin D 1 ( U c22 p2 ) A2 sin D 2
Rx
( U c12 p1 ) A1 cosD1 ( U c22 p 2 ) A2 cosD 2
(5.7)
Der Betrag und die Richtung der resultierenden Kraft sind: R
R x2 R y2
tan E
Rx Ry
(5.8)
Die analytische Bestimmung der Kräfte hat allgemeine Gültigkeit. Bei nummerischen Berechnungen muss man beachten, dass der Druck nicht der Absolutdruck, sondern die Differenz des Druckes im Strömungsraum zum Umgebungsdruck ist. Der Umgebungsdruck wirkt von außen auf den Strömungsraum. Die Winkel sind von der positiven x-Achse aus im Uhrzeigersinn zu messen.
82
5 Impulssatz
5.2
Anwendungen des Impulssatzes
5.2.1
Strömungskräfte am Rohrkrümmer p
Fs
y
D1
pa
c
G
R
x
Fs c
p D2
Bild 5.3: Strömungskraft am Rohrkrümmer
In Rohrkrümmern wird die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit geändert, wodurch auf den Krümmer Kräfte wirken. Hier werden Rohrkrümmer mit konstantem Strömungsquerschnitt und konstantem Krümmungsradius behandelt. Zweckmäßigerweise legt man für die Berechnung den Mittelpunkt des Krümmers auf die xAchse, so dass sie für ihn eine Symmetrieachse darstellt. Die resultierende Kraft R wirkt damit in Richtung der x-Achse. Sie hat keine y-Komponente. Für ein ideales Fluid sind nach der Energiegleichung Druck und Geschwindigkeit am Ein- und Austritt des Krümmers gleich. Der Biegewinkel des Krümmers ist d. Es ergeben sich folgende Winkelbeziehungen (Bild 5.3):
D 2 180q D1 D1 90q G / 2 cosD 2 cosD1 sin(G / 2) cosD1 sin(G / 2) sin D 2 sin D
(5.9)
Gleichung (5.7) zeigt, dass die y-Komponente der Kraft bei diesen Bedingungen gleich null ist. Für die x-Komponente erhält man:
Rx
>( U c
2
@
p pa ) A1 ( U c 2 p p a ) A2 sin(G / 2)
(5.10)
Da die y-Komponente gleich null ist und sich Druck, Geschwindigkeit und Strömungsquerschnitt nicht verändern, ist die resultierende Kraft:
Rx
2 ( U c 2 p pa ) A sin(G / 2)
(5.11)
Ist der Rohrbogen mit einem Flansch an einer geraden Rohrleitung befestigt, wirken außer der Druckkraft auch noch die resultierende Kraft auf die Schrauben des
83
5 Impulssatz
Flansches. Die Kraft wird von beiden Seiten aufgenommen. Damit ist die auf die Flanschschrauben wirkende Kraft:
Fs
A ( U c 2 p pa )
(5.12)
BEISPIEL 5.1: Kräfteeinwirkung auf einen Rohrbogen In einem 90°-Rohrbogen von 1 m Durchmesser strömt Wasser mit der Geschwindigkeit von 6 m/s. Der Druck am Ein- und Austritt ist jeweils 0,2 bar höher als der Außendruck. Bestimmen Sie die auf den Rohrbogen wirkende Kraft Rx und die Kraft, die auf die Flanschschraube wirkt. p1
Lösung
c1
y
Schema
Fs
Siehe Skizze Fx
x
Annahmen • • •
Entlang der Stromlinien ist die Strömungsgeschwindigkeit konstant. Der Druck ist am Ein- und Austritt des Rohrbogens gleich groß. Die Strömung ist stationär.
Fs
p2 c2
Analyse Die durch die Richtungsänderung verursachte Kraft kann mit Gl. (5.11) berechnet werden. Rx
2 ( U c 2 p pa ) A sin(G / 2)
§ kg m2 N · ʌ 2 ¨¨1'000 3 6 2 2 0,2 10 5 2 ¸¸ 12 m 2 sin(45q) m s m ¹ 4 ©
62'200
Die Schraubenkraft Fs erhalten wir aus Gl. (5.12).
Fs
( U c 2 p pa ) A 43'982 N
Diskussion In einem geraden Rohr, das den gleichen Strömungsquerschnitt wie der des Krümmers hat, wird nur durch die Druckdifferenz eine Kraft auf einen Flansch ausgeübt. Die Schraubenkraft ist dann Fs = p . A = 15,71 kN. Durch Umlenkung verursacht die Strömung beinahe eine Verdreifachung der Kraft. Der Nenndruck der
84
5 Impulssatz
Normflansche beginnt bei 4 bar, d. h., die Kräfte werden auf alle Fälle aufgenommen. In der Regel können die durch Umlenkung verursachten Kräfte bei Rohrleitungen unberücksichtigt bleiben. 5.2.2
Rückstoßkräfte von Flüssigkeitsstrahlen
Ein Flüssigkeitsstrahl, der aus einem Raum mit dem Druck p durch eine Öffnung mit dem Austrittsquerschnitt Aa in einen Raum mit dem Druck pa strömt, hat nach der Energiebilanzgleichung die Austrittsgeschwindigkeit ca: ca
(5.13)
2 ( p pa ) / U
Pro Zeiteinheit führt der Strahl folgenden Impuls mit sich:
& dI dt
& F
& m ca
&
U A ca2
(5.14)
Dieser Austrittsimpuls bedingt eine gleich große Impulsänderung der Flüssigkeitsmasse in dem Raum, aus dem die Flüssigkeit strömt. Die Impulsänderung bewirkt eine dem Betrage nach gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Rückstoßkraft F.
F
&
U A ca2
2 ( p pa ) A
(5.15)
Diese Rückstoßkraft ist doppelt so groß wie die auf die geschlossene Austrittsöffnung wirkende Druckkraft. Gl. (5.14) gilt ganz allgemein für alle Fluide, Gl. (5.15) ist nur für Flüssigkeiten gültig. In der Technik haben Rückstoßkräfte von Fluidstrahlen bei Raketentriebwerken, aber auch bei unerwünschten Effekten wie bei der Kraft, welche auf die Düse einer Feuerwehrspritze wirkt, Bedeutung. BEISPIEL 5.2: Kräfte auf die Düse einer Feuerwehrspritze Im Schlauch einer Feuerwehrspritze herrscht ein Druck von 6 bar. Die Öffnung der Düse hat einen Durchmesser von 100 mm. Die Dichte des Wassers ist 1'000 kg/m3. Der Umgebungsdruck beträgt 0,98 bar. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit in der Düse und die Rückstoßkraft des Strahls.
85
5 Impulssatz
Lösung Annahmen • • •
Die Strömung ist reibungsfrei. Das Wasser ist inkompressibel. Die Strömung ist stationär.
Analyse Die Strömungsgeschwindigkeit in der Düse kann mit Gl. (5.13) bestimmt werden. 2 ( p pa ) / U
ca
2 5,02 10 5 N/m 2 1'000 kg/m 3
31,69 m/s
Die Rückstoßkraft wird mit Gl. (5.15) berechnet. F
&
U A ca2
2 ( p pa ) A
2 5,02 10 5
N ʌ 0,12 m 2 2 m 4
7,885 kN
Diskussion Die durch den Strahl verursachte Kraft ist so groß, dass ein Feuerwehrmann die Düse nicht festhalten könnte. Sie muss mit einer entsprechenden Halterung konzipiert werden. Düsen, die ohne Hilfseinrichtungen festgehalten werden können, müssten bei den gegebenen Drücken kleinere Durchmesser als 25 mm haben. BEISPIEL 5.3: Schubkraft einer Rakete Im Weltraum strömt aus einer Rakete der Triebstrahl mit konstanter Geschwindigkeit von 600 m/s. Die Dichte des ausströmenden Strahls ist 0,02 kg/m3. Die Fläche der Austrittsöffnung beträgt 1,4 m2. Bestimmen Sie die Schubkraft der Rakete. Lösung Annahmen • • •
Die Strömung ist reibungsfrei. Die Geschwindigkeit ist uniform. Die Strömung ist stationär.
86
5 Impulssatz
Analyse Die Schubkraft erhält man aus dem Impulssatz. Da die Geschwindigkeit konstant ist, ändert sich mit der Zeit nur die Masse der Rakete. Diese Änderung entspricht dem austretenden Massenstrom. Damit ist die Schubkraft:
& F
& dI dt
& d (m ca ) dt
& m ca
&
U A ca2
0,02
2 kg 2 2 m 1,4 m 600 m3 s2
10,08 kN
Diskussion Die Schubkraft einer Rakete kann bei bekannter Geschwindigkeit und Dichte des Gases im Triebstrahl mit dem Impulssatz bestimmt werden. 5.2.2.1
Strahlstoßkräfte auf eine senkrechte Wand c 1
Düse
Freistrahl
2
c
2 c
Bild 5.4: Stoß gegen eine senkrechte Wand
Ein Strahl, der mit Geschwindigkeit c auf eine feste Wand trifft, übt auf diese eine Kraft F aus (Bild 5.4). Die Fluidteilchen ändern an der Wand die Richtung ihrer Strömungsgeschwindigkeit und strömen parallel zur Wand. Die Kraft lässt sich aus dem Impulssatz ermitteln. Die x-Achse legt man in die Strahlmitte. Kontrollfläche 1 schneidet den Strahl senkrecht direkt hinter der Mündung, Kontrollfläche 2 ist senkrecht zur Wand und bildet einen Ring. Sie wird so gewählt, dass die Geschwindigkeit gleich groß wie an Stelle 1 bleibt. Damit sind die Strömungsquerschnitte A1 und A2 gleich groß wie A. Der Winkel α1 ist 0° und α2 90°. Der Druck ist überall gleich groß wie der Außendruck. Damit ergibt Gl. (5.7): Fx
U Aa c 2
Fy
0
(5.16)
87
5 Impulssatz
c' = c - u 1 Düse
Freistrahl c
2
u
c'
u
2 c'
Bild 5.5: Stoß gegen eine bewegte senkrechte Wand
Mit dem Strahl könnte eine "Maschine" betrieben werden. Durch die Kraft des Strahls kann die Wand verschoben und damit Arbeit geleistet werden (Bild 5.5). Bewegt sich die Wand mit einer Geschwindigkeit u, hat der Strahl die Relativgeschwindigkeit zur Wand c' = c – u. Geht man weiter davon aus, dass sich der Druck bei der Strömung an der Platte nicht ändert, bleibt die Geschwindigkeit c' am Austritt dem Betrage nach gleich. Für den mitbewegten Beobachter wird der Massenstrom ebenfalls mit der Geschwindigkeit c' bestimmt. Die Stoßkraft ist: Fx
m (c u )
U A (c u ) 2
Fy
0
(5.17)
Die Leistung P des Strahls ist das Produkt aus Stoßkraft und Wandgeschwindigkeit:
P
U A (c u ) 2 u
U A (c 2 u 2 c u 2 u 3 )
(5.18)
Die maximal mögliche Leistung Pmax lässt sich ermitteln, wenn Gl. (5.18) nach u abgeleitet und zu null gesetzt wird. dP du
U A (c 2 4 c u 3 u 2 ) 0
(5.19)
Die Geschwindigkeit u, bei der die maximale Leistung erreicht wird, ist: u
(5.20)
c/3
Für Pmax ergibt sich: Pmax
4 U A c3 27
4 U Au3
(5.21)
Die spezifische kinetische Energie des Strahls ist: ekin
1 2 c 2
(5.22)
88
5 Impulssatz
Die mit dieser kinetischen Energie theoretisch erreichbare „Leistung“ wäre: Pkin
1 m c 2 2
1 A U c3 2
(5.23)
Der Wirkungsgrad dieser „Maschine“ beträgt: Pmax Pkin
8 27
0,2963
(5.24)
Die im Strahl gespeicherte und ungenutzte kinetische Energie wird mit zunehmender Länge des Strahls immer größer und dadurch ist der Wirkungsgrad relativ schlecht. Indem immer wieder eine neue Wand in den Strahl gebracht wird (Schaufelrad), kann die kinetische Energie des Strahls wesentlich besser genutzt werden, was später noch besprochen wird. 5.2.2.2
Schiefer Stoß gegen eine Wand
Die Impulsänderung eines Strahls, der auf eine schiefe Wand unter dem Winkel d auftrifft, übt nur eine zur Wand senkrecht gerichtete Kraft aus. Es genügt daher, die Normalkomponente cn der Geschwindigkeit zu ermitteln. Damit ist die Strahlstoßkraft:
F
m cn
A U c 2 cos G
(5.25)
Ähnlich wie bei der senkrechten Wand kann die Leistung auch für eine bewegte schiefe Wand hergeleitet werden. 5.2.2.3
Düse
Gerader Stoß gegen eine gewölbte Platte 2
1
1
2
Freistrahl c
F
Düse
Freistrahl c F
G 2 2
G
Bild 5.6: Gerader Stoß gegen eine gewölbte Platte
In Bild 5.6 sind die Verhältnisse eines Strahlstoßes gegen eine nach außen und innen gewölbte Platte dargestellt. Die Stoßkraft kann unter den gleichen Voraussetzungen wie bei der senkrechten Platte hergeleitet werden. An Stelle des Winkels α2 wird hier der Winkel d eingesetzt. Damit ist die Stoßkraft F:
5 Impulssatz
F
Fx
A U c 2 (1 cos G )
m c (1 cos G )
89 (5.26)
Die größte Stoßkraft lässt sich bei einem Winkel von 180° erzielen. Schaufeln mit gewölbten Wänden von beinahe 180° Umlenkung werden bei Freistrahlwasserturbinen mit Peltonrädern verwendet. Das Turbinenrad ist nicht feststehend, sondern es bewegt sich mit der Geschwindigkeit u. Damit ist die Stoßkraft:
F
A U (c u ) 2 (1 cos G )
(5.27)
Wie bei der senkrechten Wand ist die maximale Leistung dann zu erzielen, wenn die Geschwindigkeit der Schaufel 1/3 der Strahlgeschwindigkeit ist. Bei dieser Betrachtung bewegt sich die Turbinenschaufel mit der Geschwindigkeit u vom Strahlaustritt weg. Damit wird die im Strahl gespeicherte kinetische Energie immer größer. Der Wirkungsgrad ist bei δ = 180° doppelt so groß wie bei der bewegten ebenen Wand. Bei der späteren Betrachtung mit dem Drallsatz, der berücksichtigt, dass immer wieder neue Schaufeln in den Strahl treten, wird gezeigt, welche Wirkungsgrade tatsächlich erreicht werden können.
5.3
Vereinfachte Propellertheorie
Propeller sind Vortriebsorgane für Flugzeuge und Schiffe, in denen sich das Motordrehmoment zur Beschleunigung des Fluids und damit zum Antrieb des Fahrzeugs verwenden lässt. Ohne Berücksichtigung der Form und Gestaltung des Propellers kann die Schubwirkung mit einer stark vereinfachten Strahlentheorie verdeutlicht werden. Mit der Umdrehung des Propellers wird das Fluid ständig angesaugt und in einem den Propeller umhüllenden Strahl nach hinten beschleunigt. Zur Berechnung nimmt man an, dass das Fluid mit einer konstanten Geschwindigkeit über den gesamten Propellerquerschnitt strömt. Das Fahrzeug bewegt sich mit der Geschwindigkeit ce, die die Eintrittsgeschwindigkeit des Fluids zum Propeller ist. Durch ihn wird das Fluid auf die Geschwindigkeit ca beschleunigt. ce
Propellerstrahl 1
ce
Kontrollraum 2
ca F
cS
'p pe
p1
p2
Bild 5.7: Zur Erklärung der vereinfachten Propellertheorie
90
5 Impulssatz
Bei der Berechnung werden Reibung, Drehbewegung des Fluids und Einfluss des Fahrzeugs vernachlässigt. Für den Kontrollraum zwischen Ein- und Austritt wird nach dem Impulssatz, da der Druck am Ein- und Austritt gleich groß ist, die Schubkraft F wie folgt berechnet: (5.28) F U V ( c a c e ) m ( c a c e ) Der vom Propeller erfasste Volumenstrom ist V , die in der Propellerebene herrschende Strömungsgeschwindigkeit cS. Damit erhält man für Gl. (5.28): F
U AS c S (ca ce )
(5.29)
Vor und hinter dem Propeller, zwischen den Stellen 1 und 2, ist der Druck unterschiedlich groß. Er kann mit der Energiegleichung bestimmt werden: pe
U
ce2 2
p1
U
c S2 2
pa
U
ca2 2
p2
U
c S2 2
(5.30)
Da der Druck am Ein- und Austritt gleich groß ist, wird die Druckdifferenz ∆p:
'p
p 2 p1
U 2
(ca2 ce2 )
(5.31)
Diese Druckdifferenz wirkt auf die Propellerfläche. Die dadurch erzeugte Kraft entspricht der Schubkraft F. F
'p AS
(5.32)
Durch Gleichsetzen der Gln. (5.29) und (5.32) ergibt sich zwischen den Geschwindigkeiten folgender Zusammenhang: 1 2 (ca ce2 ) 2
1 (c a ce ) (c a ce ) 2 cS
c S (c a ce )
c a ce 2
(5.33) (5.34)
Damit erhält man aus Gl. (5.29) für die Schubkraft: F
§ ca2 · U ¨ 2 1¸ AS ce2 ¨c ¸ 2 © e ¹
(5.35)
Die Schubkraft des Propellers wird nur durch die Fahrzeuggeschwindigkeit und Austrittsgeschwindigkeit des Strahls bestimmt. Die Nutzleistung des Propellers ist das Produkt aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Schubkraft. PNutz
ce F
(5.36)
91
5 Impulssatz
Den Leistungsaufwand des Propellers erhält man als Produkt aus der Schubkraft und Geschwindigkeit cS des Fluids im Propellerquerschnitt. PProp
cS F
(5.37)
Der theoretische Wirkungsgrad des Propellers ist der Quotient aus Nutz- und Propellerleistung.
K th
PNutz PProp
ce cS
2 ce c a ce
2 c a / ce 1
(5.38)
Die nutzbare Leistung des Propellerantriebs wird durch die Fahrzeug- und Fluidgeschwindigkeit im Austrittsquerschnitt bestimmt. Mit zunehmender Austrittsgeschwindigkeit nimmt der theoretische Wirkungsgrad ab. Den besten Wirkungsgrad erhält man, wenn die Austrittsgeschwindigkeit gleich der Eintrittsgeschwindigkeit ist. Die Schubkraft ist dann allerdings null. Um den Wirkungsgrad und die Schubkraft zu erhöhen, wird der Massenstrom erhöht. Damit erreicht man die erforderliche Schubkraft bei kleinerer Austrittsgeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad ist vom Massenstrom unabhängig. Der tatsächliche Wirkungsgrad eines Propellers ist wegen Reibungsverlusten und Drall des Fluids geringer: Gute Propeller erreichen etwa das 0,85 bis 0,9-fache des theoretischen Wirkungsgrades. Gl. (5.38) zeigt aber, dass, abhängig von der Einund Austrittsgeschwindigkeit, nicht die gesamte Leistung des Antriebmotors genutzt werden kann. Der theoretische Wirkungsgrad wird zur Beurteilung von Propellern verwendet. BEISPIEL 5.4: Berechnung eines Propellers Der Propeller eines Flugzeugs, das mit einer Geschwindigkeit von 400 km/h fliegt, erhöht die Geschwindigkeit des Luftstrahls auf 500 km/h. Der Durchmesser des Propellers ist 2 m. Die Dichte der Luft kann als konstant mit 1,1 kg/m3 angenommen werden. Zu berechnen sind: a) die Schubleistung, die Antriebsleistung und der Wirkungsgrad des Propellers b) die Änderung des Wirkungsgrades mit einem Propeller gleicher Schubleistung, aber 2,3 m Durchmesser. Lösung Schema
Siehe Bild 5.7
Annahmen • •
Die Strömung ist reibungsfrei und stationär. Die Luft ist inkompressibel.
92
5 Impulssatz
Analyse a) Schub- und Antriebsleistung können nach den Gln. (5.36) und (5.37) berechnet werden. Die Schubkraft F des Strahls erhalten wir mit Gl. (5.35). Zunächst bestimmen wir die Ein- und Austrittsgeschwindigkeit in m/s. ce = 400/3,6 = 111,1 m/s As = 0,25 . π . d2 = 3,142 m2 F
§ ca2 · U ¨ 2 1¸ AS ce2 ¨c ¸ 2 © e ¹
ca = 500/3,6 = 138,9 m/s
3 2 § 138,92 · 2 1,1 kg/m 2 m ¨ ¸ 1 3 , 142 m 111,1 ¨ 111,12 ¸ 2 s2 © ¹
12,0 kN
Die Antriebsleistung PProp mit der Geschwindigkeit cS = (ce + ca) / 2 = 125 m/s berechnet, ergibt sich zu: PProp
cS F
125 m/s 12 kN
1'500 kW
Die Schubleistung PNutz ist: PNutz
ce F
111,1 m/s 12 kN 1'333 kW
Der theoretische Propellerwirkungsgrad beträgt:
Kth
PNutz PProp
1'333 1'500
0,89
b) Um bei der vergrößerten Querschnittsfläche von 4,155 m2 die gleiche Schubkraft zu erhalten, kann die Austrittsgeschwindigkeit verringert werden. Zu ihrer Berechnung wird Gl. (5.35) umgeformt. ca
ce
2F m 2 12'000 1 111,1 1 132,7 m/s 2 s 4,155 1,1 111,12 AS U ce
Da die Schubleistung gleich bleibt, muss nur die Antriebsleistung bestimmt werden. Die Geschwindigkeit cS beträgt jetzt 121,9 m/s. Damit ist die Antriebsleistung 1'462 kW und der Wirkungsgrad 0,91. Diskussion Der Einfluss des Massenstromes auf den Wirkungsgrad kann anhand einfacher Propellertheorie demonstriert werden. Wirkliche Propeller benötigen wesentlich komplexere Berechnungen.
5 Impulssatz
5.3.1
93
Schub der Strahl- und Raketentriebwerke
Raketen- und Strahltriebwerke bewegen ein Flugzeug durch das Hinausstoßen von Verbrennungsgasen. Bei Raketen sind Treibstoff und der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff im Raketenkörper vorhanden. Durch die Verbrennung wird eine starke Volumenvergrößerung der Ausgangsstoffe bewirkt und damit ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit erzeugt. Die Schubkraft eines Raketentriebwerks ist gleich wie die eines ins Freie tretenden Strahls:
F
m G ca
U a Aa ca2
(5.39)
Index G bezeichnet das Verbrennungsgas, das aus dem Triebwerk strömt und a den Austrittsquerschnitt des Triebwerks. Bei einem Strahltriebwerk wird in der Brennkammer der angesaugten und verdichteten Luft Brennstoff zugegeben und verbrannt. Das heiße Verbrennungsgas verlässt wegen seiner geringeren Dichte das Triebwerk mit einer höheren Austrittsgeschwindigkeit ca. Der Massenstrom des austretenden Abgases ist die Summe der Massenströme des Brennstoffs und der angesaugten Luft. Aus dem Impulssatz ergibt sich folgende Schubkraft: F
(m L m B ) ca m L ce
(5.40)
Der Massenstrom der angesaugten Luft ist viel größer als der des Brennstoffs (ca. 30 bis 50 mal größer). Deshalb kann er für die überschlägige Berechnung vernachlässigt werden. F | m L (ca ce )
U e Ae ce (ca ce )
(5.41)
Die Dichte der Luft wird beim Zustand am Eintritt bestimmt. Das Raketentriebwerk hat eine von der Fluggeschwindigkeit unabhängige Schubkraft. Nimmt man bei einem Strahltriebwerk eine konstante Differenz zwischen der Ein- und Austrittsgeschwindigkeit an, wächst die Schubkraft mit zunehmender Fluggeschwindigkeit.
5.4
Drallsatz
In einer Strömung bleibt der Impuls eines Fluidelements so lange konstant, bis eine Kraft auf das Element wirkt. Der Impulssatz zeigt, dass bei der Strömung durch gekrümmte Stromröhren Kräfte auf das Fluidelement wirken. Bei Strömungsmaschinen (Pumpen und Turbinen) durchströmt das Fluid rotationssymmetrische, durch Leit- und Laufschaufeln gebildete krumme Strömungsbahnen. In Bild 5.8 sieht man das Durchströmen der Laufschaufel einer Strömungsmaschine, die zunächst festgehalten wird. Wir betrachten eine gekrümmte Stromröhre, durch die ein kleiner infinitesimaler Teil dm des Massenstromes fließt. Rotationssymmetrisch sind gleiche Stromröhren um den Mittelpunkt angeordnet. Das Fluid fließt beim Radius r1 in den Strömungs-
94
5 Impulssatz
raum und verlässt ihn beim Radius r2. Der Massenstrom bleibt in der Stromröhre unverändert. cm 2 dFIu 2 -dFIm 2
Austritt
c2
cm 1 dFIm 1 c1 Eintritt
dm Austritt
Austritt
r
r1
2
dFIu 1
cu 1
cu 2
M Eintritt
Leitbleche
Bild 5.8: Zur Erklärung des Drallsatzes
Die Impulskraft des eintretenden Massenstromelements auf den Strömungsraum ist: & dFI 1
& dI1 dt
& dm c1
(5.42)
die des austretenden Massenstromelements: & dFI 2
& dI 2 dt
& dm c2
(5.43)
Impulskräfte können in radiale (meridiane) und tangentiale Komponenten zerlegt werden. Die insgesamt wirkende Impulskraft in radialer und tangentialer Richtung kann durch Integration der differentiellen Impulskräfte über den Umfang für den gesamten rotationssymmetrischen Strömungsraum bestimmt werden. Die Integration der radialen Kräfte über den Umfang ergibt null, da sich jeweils zwei diametral gegenüberliegende Kräfte aufheben. In der Umfangsrichtung (tangential) bestimmen wir an Stelle der Impulskraft das Moment, welches von der Impulskraft ausgeübt wird. Das Moment ist das Produkt aus tangentialer Komponente der Impulskraft und dem Radius. Damit ist das Moment MI1 und MI2 am Ein-, bzw. Austritt des Strömungsraums: 2S
M I1
³ 0
2S
dFIu1 r1
³ 0
2S
dm cu1 r1
cu1 r1 dm
³ 0
m cu1 r12
(5.44)
95
5 Impulssatz
2S
M I2
³
2S
dFIu 2 r2
2S
dm cu 2 r2
cu 2 r2 dm
³
0
m cu 2 r2
³
0
(5.45)
0
Die Summe der durch Impulskraft bewirkten Momente auf den Strömungsraum muss mit dem Drehmoment M, das auf die Strömungsbegrenzungen (Leitkanäle) wirkt, im Gleichgewicht sein. M I1 M I 2 M
(5.46)
0
m cu1 r1 m cu 2 r2 M
(5.47)
0
Der Drallsatz sagt aus, dass die Summe aller durch die Impulsänderung bewirkten Momente dem Moment, das auf die Strömungsbegrenzung wirkt, entgegengesetzt gleich groß ist. 5.4.1
Kraftwirkung auf die Laufräder der Strömungsmaschinen
Mit dem Drallsatz lassen sich die für die Technik wichtigen Strömungsmaschinen berechnen. Bei Turbinen wird das Laufrad durch Energieverminderung des Fluids angetrieben. Bei Pumpen und Verdichtern bringt ein von außen angetriebenes Laufrad das Fluid auf ein höheres Energieniveau. Bei Strömungsmaschinen wird die vom ruhenden Beobachter gesehene Strömungsgeschwindigkeit mit c, die von dem mit dem Laufrad mitbewegten Beobachter gesehene relative Geschwindigkeit mit w und die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel mit u bezeichnet. Bild 5.9 zeigt das Laufrad einer radialen Pumpe, Bild 5.10 das einer radialen Turbine. c2
u2
cu 2
Austritt
u1 r2
c1
w1
Eintritt
w2
w2
c2
D2
E
2
u2
0
cu 1
c1
r1
D1 u1
Bild 5.9: Strömung im Laufrad einer Pumpe
w1 E1
96
5 Impulssatz
Eintritt
cu 1 w1
c1
r1
w1
w2 r2
u2
0 c2 Austritt
E1
D1 u1
u1
c1
cu 2
w2
c2 u2
D2
E2
Bild 5.10: Strömung im Laufrad einer Turbine
Die Leistung einer Maschine mit drehender Welle ist das Produkt aus Drehmoment M und Winkelgeschwindigkeit. P
M Z
m Z (cu 2 r2 cu1 r1 )
m Yth
(5.48)
Dabei ist Yth die spezifische Arbeit der Strömungsmaschine. Berücksichtigt man, dass ω . r1 = u1 und ω . r2 = u2 ist, kann die spezifische Arbeit aus den Geschwindigkeitsdreiecken der Bilder 5.9 bzw. 5.10 bestimmt werden. Die auf den Massenstrom bezogene spezifische Arbeit Yth ist damit: Yth
cu 2 u 2 cu1 u1
(5.49)
Gleichung (5.49) ist die Euler'sche Strömungsmaschinenhauptgleichung. Der Index th bedeutet, dass die ermittelte spezifische Arbeit die theoretisch mögliche, maximale spezifische Arbeit ist. Bei wirklichen Strömungsmaschinen wird die erzielte spezifische Arbeit wegen der Reibung innerhalb des Fluids und an den Wänden geringer. Bei der Pumpe gibt Gl. (5.49) einen positiven und bei der Turbine einen negativen Wert an. Dies ist in Übereinstimmung mit den Vereinbarungen in der Thermodynamik. Bei axial angeströmten Strömungsmaschinen ist die Umfangsgeschwindigkeit am Ein- und Austritt gleich groß. Für diese Maschinen vereinfacht sich Gl. (5.49) zu: Yth
(cu 2 cu1 ) u
(5.50)
Bei Pumpen wird mit drallfreier Zuströmung, d. h., die tangentiale Komponente der absoluten Geschwindigkeit c1u ist null, eine möglichst große spezifische Arbeit erzielt. Bei Turbinen strebt man an, dass am Auslegungspunkt die tangentiale Komponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit null ist. Die Geometrie des Strömungsraums bestimmt die absolute Geschwindigkeit des Fluids am Eintritt. Die Form der Laufschaufeln ist maßgebend für die Relativgeschwindigkeit am Austritt. Bei einer Pumpe, in der die Flüssigkeit als inkompressibles Fluid angenommen werden kann, lässt sich die Druckerhöhung aus der Energiebilanzgleichung (4.5)
97
5 Impulssatz
und mit Gl. (5.48) bestimmen. Der Pumpvorgang ist inkompressibel. Die Leistung, die an die Pumpe abgegeben wird, wird aus Gl. (5.48) in Gl. (4.5) eingesetzt. P
m Yth
m (cu 2 u 2 cu1 u1 )
§ · c2 c2 m ¨¨ v ( p 2 p1 ) 2 1 g ( z 2 z1 ) ¸¸ 2 © ¹
(5.51)
Die Höhendifferenz z2 – z1 der Pumpenstutzen kann meist vernachlässigt werden. Mit ρ multipliziert und umgeformt erhält man für die Druckerhöhung ∆p = p2 – p1:
'p
U (cu 2 u 2 cu1 u1 )
(c22 c12 ) U 2
(5.52)
Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Ein- und Austrittsstutzen ist in vielen Fällen ebenfalls vernachlässigbar. BEISPIEL 5.5: Berechnung einer Radialpumpe Aus nachstehender Skizze können die geometrischen Daten des Rotors einer Pumpe entnommen werden. Die Drehzahl der Pumpe beträgt 1'500 min-1. Die Geschwindigkeit c1 am Eintritt ist 3 m/s und steht senkrecht zur Umfangsgeschwindigkeit. Der Winkel α2 der Geschwindigkeit c2 zur Umfangsgeschwindigkeit ist 10°. Durch die Leitbleche werden 10 % des Strömungsquerschnitts versperrt. Die Dichte des Wassers beträgt 1'000 kg/m3, die Geschwindigkeit am Eintrittsstutzen 1 m/s, am Austritt 4 m/s. Zeichnen Sie die Geschwindigkeitsdreiecke und berechnen Sie: a) die Geschwindigkeiten am Ein- und Austritt b) die spezifische Arbeit, die Antriebsleistung und den Differenzdruck.
Annahmen • • •
Siehe Skizze
100 mm
Schema
40 mm
160 mm
Lösung
360 mm
Die Strömung ist reibungsfrei und inkompressibel. Die geodätischen Höhen der Pumpenstutzen können vernachlässigt werden. Die Strömung ist stationär.
Analyse a)
Zunächst werden die Umfangsgeschwindigkeiten berechnet.
98
5 Impulssatz
u1
S d1 n S 0,160 m 25 s 1 12,57 m/s
u2
S d 2 n S 0,360 m 25 s 1
28,27 m/s
Die Meridiankomponenten der Geschwindigkeiten c1 und c2 ergeben sich aus dem Massenstrom, der am Ein- und Austritt jeweils gleich groß sein muss. Die Meridiankomponente am Eintritt entspricht der Strömungsgeschwindigkeit c1, da sie senkrecht zur Umfangsgeschwindigkeit ist. Die vom mitbewegten Beobachter gesehene Geschwindigkeit w1 beträgt:
c12 u12
w1
32 12,56 2
12,92 m/s
Mit der Versperrung τ = 0,9 erhält man den Massenstrom am Eintritt. m
c1 U A1
c1 U S d1 a W
3
3 m/s 1'000 kg/m ʌ 0,16 m 0,1 m 0,9 135,72 kg/s
Mit dem Massenstrom kann die Meridiankomponente der Geschwindigkeit c2 bestimmt werden. m U S d 2 a 2 W
cm 2
135,72 kg/s 1'000 kg/m ʌ 0,36 m 0,04 m 0,9 3
3,33 m/s
Mit dem gegebenen Winkel α2 kann die Geschwindigkeit c2 und deren Umfangskomponente berechnet werden. c2
cm 2 / sin D 2
19,20 m/s
cu 2
c2 cos D 2
18,90 m/s
Die Geschwindigkeitsdreiecke am Ein- und Austritt konstruiert man mit den errechneten Werten. Eintritt
Austritt
w 1 = 12,92 m/s
w 2 = 8,76 m/s
c 2 = 19,20 m/s c m2 = 3,33 m/s
c1 = 3 m/s u 2 = 28,27 m/s
u 1 = 12,57 m/s
cu 2 = 18,90 m/s
Die Geschwindigkeit w2 berechnet sich aus den geometrischen Zusammenhängen.
w2 b)
wu22 wm2 2
(cu 2 u 2 ) 2 cm2 2
(18,9 28,27) 2 3,332
Die theoretische spezifische Arbeit ist nach Gl. (5.49): Yth
cu 2 u 2 cu1 u1
18,9 28,27
534,5 J/kg
Die notwendige Leistung wird mit Gl. (5.48) berechnet.
8,76 m/s
99
5 Impulssatz
P
m Yth
135,72 kg/s 534,3 J/kg
72,5 kW
Die Druckdifferenz über der Pumpe ist nach Gl. (5.52): 2 2 (caus cein ) U 2 1'000 kg/m 3 [534,3 0,5 (16 1)] m 2 /s 2 526'800 Pa
'p
U cu 2 u 2
5,27 bar
Diskussion Die Arbeit an der Pumpenwelle und die erzeugte Druckdifferenz können mit dem Drallsatz einfach bestimmt werden. Bisherige Kenntnisse erlauben nur die Berechnung inkompressibler, reibungsfrei strömender Fluide. Die Anwendung des Drallsatzes auf die Strömung reibungsbehafteter Fluide ist durch einfache Reibungsterme möglich. Eine genaue Berechnung ist ausschließlich mit empirischen Ansätzen oder mit 3D-Computerprogrammen durchführbar. BEISPIEL 5.6: Berechnung einer Axialturbine Eine Axialturbine wird vom Wasser mit der Geschwindigkeit von 3 m/s parallel zur Turbinenachse angeströmt. Die Laufschaufeln auf dem Rotor der Turbine sind relativ kurz. Dadurch kann mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit von 2 m/s gerechnet werden. Die Schaufeln sind 0,5 m hoch und auf einem Rotor mit 1 m Durchmesser montiert. Ihre Anordnung ist so, dass die vom mitbewegten Beobachter gesehene Geschwindigkeit w2 am Austritt einen Winkel von 142° zur Umfangsgeschwindigkeit bildet. Die Versperrung durch die Schaufeln beträgt 10 %. Dichte des Wassers: 1'000 kg/m3. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeiten am Ein- und Austritt und zeichnen Sie Geschwindigkeitsdreiecke. b) Berechnen Sie die spezifische Arbeit und die Leistung der Turbine. Rotor mit Laufschaufeln
Lösung Schema
w2
Strömungsverlauf zwischen den Laufschaufeln
Siehe Skizze
Annahmen
142°
w1 c1
• • • •
u2
Die Strömung ist reibungsfrei und inkompressibel. u Die Turbine ist waagerecht. Die Strömung ist stationär. Für die Berechnung wird die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln mit einem mittleren Wert als konstant angenommen. 1
100
5 Impulssatz
Analyse a) Die Eintrittgeschwindigkeit ist senkrecht zur Umfangsgeschwindigkeit und damit auch gleich der Meridiankomponente der Geschwindigkeit. Die vom mitbewegten Beobachter gesehene Geschwindigkeit beträgt:
w1
c12 u12
32 2 2
3,61 m/s
Da sich der Massenstrom in der Turbine nicht verändert, muss die Meridiankomponente der Geschwindigkeiten w2 und c2 am Austritt gleich groß sein wie die Meridiankomponente der Geschwindigkeiten am Eintritt. Zur Berechnung der Geschwindigkeiten w2, c2 und cu2 konstruiert man der Übersichtlichkeit halber die Geschwindigkeitsdreiecke. Für die Geschwindigkeit w2 gilt: w22
wm2 2 wu22
cm2 1 w22 cos 2 142q
c12 1 cos 2 142q
w2
Die anderen Geschwindigkeiten können aus den geometrischen Zusammenhängen bestimmt werden.
Eintritt w1
c1
4,87 m/s
Austritt w2
cm 2
c2
142°
u1
cu 2
wu 2 u 2
w2 cos 142q u 2
1,838 m/s
c2
cm2 2 cu22
cu2
u2
3,519 m/s
b) Die spezifische Arbeit und Leistung werden mit den Gln. (5.48) und (5.50) berechnet.
Yth
u cu 2
2 1,838 m 2 /s 2
3,68 J/kg
Zur Berechnung der Leistung ist zunächst der Massenstrom zu bestimmen.
m
U A c1 W
1'000 kg/m 3 3 m/s ʌ/ 4 (2 2 12 ) m 2 0,9 6'362 kg/s P
m Yth
23,41 kW
Diskussion Bei axial durchströmten Apparaten kann am Ein- und Austritt mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit gerechnet werden. Aus den Geschwindigkeitsdreiecken ist zu sehen, dass eine hier dargestellte Turbine wegen der achsparallelen Anströmung mit cu1 = 0 nur dann Arbeit liefern kann, wenn die Geschwindigkeit c2 eine negative Umfangskomponente cu2 hat. Bei Wasserturbinen werden am Eintritt Leitschaufeln angebracht, mit denen die Strömung in Rotation versetzt wird, die Geschwindigkeitskomponente cu1 eine positive Größe hat und so zur spezifischen Arbeit beiträgt.
101
5 Impulssatz
Dadurch ist eine größere Nutzung der kinetischen Energie möglich, die hier c2/2 = 4,5 J beträgt. Davon werden nur 3,675 J genutzt. Dies wäre ein Wirkungsgrad von 0,82. Bei der theoretischen, reibungsfreien Turbine könnten mit Leitschaufeln Wirkungsgrade von über 0,97 erzielt werden. Die wirklichen modernen Wasserturbinen haben Wirkungsgrade von etwas über 0,90. BEISPIEL 5.7: Berechnung einer Peltonturbine Eine Peltonturbine wird aus einem Speichersee, der 500 m oberhalb des Turbineneintritts liegt, mit Wasser versorgt. Der Durchmesser des Eintrittstutzens beträgt 100 mm. In der Skizze ist die Strömung in den Schaufeln dargestellt. Die vom mitbewegten Beobachter gesehene Geschwindigkeit ändert ihren Betrag nicht. Die Dichte des Wassers beträgt 1'000 kg/m3. a) Berechnen Sie, bei welcher Umfangsgeschwindigkeit die Turbine eine maximale Leistung liefert. b) Berechnen Sie die Leistung und den Wirkungsgrad der Turbine. Lösung Schema
Siehe Skizze
0
500 m
Strömungsverlauf in den Laufschaufeln
Düse
2
1
w2
Düse
1 c1
w1
c1
u
w2 170°
Annahmen • • • •
Die Strömung ist reibungsfrei und inkompressibel. Die Strömung ist stationär. Für die Berechnung wird die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln mit einem mittleren Wert als konstant angenommen. Der Druck ist über dem Speichersee und am Austritt der Düse gleich groß.
102
5 Impulssatz
Analyse a) Um die Leistung der Turbine zu berechnen, müssen die spezifische Arbeit und die Geschwindigkeit in der Düse bestimmt werden. Die Geschwindigkeit in der Düse wird mit der Bernoulli-Gleichung berechnet. Da der Druck am Austritt der Düse und über dem Speichersee gleich groß ist, gilt nach Gl. (4.5):
c1
2 g ( z 0 z1 )
2 9,81 m/s 2 500 m
99,03 m/s
Zur Berechnung der spezifischen Arbeit müssen die Umfangskomponenten der Geschwindigkeiten c1 und c2 bestimmt werden. Die Geschwindigkeit c1 ist parallel zur Umfangsrichtung, damit entspricht sie ihrer Umfangskomponente. Die Geschwindigkeit w1 ist gleich der Differenz aus den Geschwindigkeiten c1 und u. Der Betrag der Geschwindigkeit w2 ist gleich dem Betrag der Geschwindigkeit w1, nur ist ihr Abströmwinkel β2 170° zur Umfangsgeschwindigkeit. Die Berechnung der Umfangskomponente kann aus dem Geschwindigkeitsdreieck am Austritt erfolgen. cu 2
u
w2 c2 170°
Für die Umfangskomponente der Geschwindigkeit w2 gilt:
wu 2
w2 cos170q
w1 cos170q (c1 u ) cos170q u cu 2
Damit ist die Umfangskomponente der Geschwindigkeit c2: cu 2
u (c1 u ) cos 170q
Die spezifische Arbeit Yth beträgt:
Yth
u (cu 2 cu1 )
u [u (c1 u ) cos170q c1 ] (u 2 c1 u ) (1 cos170q)
Um die maximale spezifische Arbeit zu bestimmen, wird die Gleichung nach u abgeleitet und zu null gesetzt.
b)
dYth c1 u ( 2 u c1 ) (1 cos 170q) 0 49,51 m/s du 2 Die Zahlenwerte eingesetzt, ergeben für die spezifische Arbeit:
Yth
(u 2 c1 u ) (1 cos170q)
u 2 (1 cos170q)
4'866 J/kg
Bei idealen Bedingungen könnte die kinetische Energie des Wasserstrahls in Arbeit umgesetzt werden. Deshalb ist der Wirkungsgrad:
Kth
2 Yth 2 1
c
2 u 2 (1 cos170q) c12
1 cos170q 2
0,99
103
5 Impulssatz
Zur Berechnung der Leistung muss noch der Massenstrom aus der Düse bestimmt werden.
m
U c1 S / 4 d 2 1'000 kg/m3 99,04 m/s ʌ / 4 0,12 m 2 P
m Yth
777,9 kg/s 4'868 J/kg
777,8 kg/s
3'785 kW
Diskussion Im Vergleich zum Ergebnis in Abschnitt 5.2.2.3 ist der Wirkungsgrad wesentlich größer als der dort mit 0,6 ermittelte. Bei der idealen Peltonturbine mit reibungsfreien inkompressiblen Fluiden hängt der Wirkungsgrad nur vom Abströmwinkel β2 ab. Bei einem Winkel von 180° könnte der Wirkungsgrad 1 erreicht werden. Allerdings ist die Geschwindigkeit c2 dann gleich null, d. h., das Wasser kann nicht abströmen. Diese Wirkungsgradverbesserung erzielt man, weil immer wieder eine neue Umlenkschaufel in die Strömung gebracht und so die kinetische Energie des Wasserstrahls optimal genutzt wird.
6
Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Dieses Kapitel behandelt die Ähnlichkeitsgesetze und Kriterien für Modellversuche. Die Strömungsbereiche werden mit der Reynolds- und Froudezahl bestimmt. Bei reibungsbehafteter Strömung inkompressibler Fluide wird die Energiebilanzgleichung aufgestellt. Für den Reibungsdruckverlust bei laminarer und turbulenter Strömung in glatten und rauen geraden Rohrleitungen kreisförmigen Querschnitts werden Gleichungen hergeleitet und angewendet. Die Berechnung der Rohrreibungskoeffizienten wird auf gerade Leitungen nicht kreisförmiger Querschnitte erweitert.
6.1
Einleitung
Die Einführung der Viskosität zeigte, dass eine Kraft aufgewendet werden muss, um eine Fluidschicht mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen. Diese Kraft wird zur Überwindung der Reibung der mit unterschiedlicher Geschwindigkeit strömenden Fluidteilchen miteinander und der Reibung der Fluidteilchen an der Oberfläche der Wände benötigt. Bei idealen Fluiden strömen alle Teilchen mit gleicher Geschwindigkeit. Die Reibung innerhalb des Fluids und die Reibung des Fluids an der Oberfläche fester Körper verändern die Gesetzmäßigkeiten, die für ideale Fluide hergeleitet wurden. Diese Gesetzmäßigkeiten können bis auf wenige Ausnahmen für reibungsbehaftete Strömung analytisch nicht hergeleitet werden. Sie sind, auf Messungen basierend, empirisch zu bestimmen. Soll eine für alle Fluide und alle Randbedingungen gültige Gesetzmäßigkeit empirisch hergeleitet werden, müssen bei den Messungen alle Größen, die die Gesetzmäßigkeit beeinflussen, variiert werden. Die Zahl der notwendigen Messungen kann sehr groß sein. Dies wird am Beispiel der Druckänderung in einem langen, geraden, waagerechten Rohr konstanten Querschnitts gezeigt. Bei der Strömung eines idealen Fluids durch das Rohr bleibt der Druck konstant. Aus Erfahrung weiß man, dass bei der Strömung eines realen Fluids durch ein Rohr eine Druckabnahme stattfindet. Diese Druckabnahme ist der Reibungsdruckverlust. Er wird von folgenden sechs Strömungsgrößen beeinflusst: Strömungsgeschwindigkeit c, dynamischer Viskosität des Fluids η, Dichte des Fluids ρ, Rohrdurchmesser d, Rohrrauigkeitshöhe k und Rohrlänge l. Bei jeweils 10 Variationen der einzelnen Einflussgrößen benötigt man 106 Messungen. Die Durchführung einer solch großen Anzahl von Messungen ist in einem vernünftigen Zeitrahmen unmöglich. Aus diesem Grund versucht man, Ähnlichkeiten zu finden, mit denen aus
106
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
einer Messung die unter bestimmten Bedingungen ermittelten Gesetzmäßigkeiten auf andere Bedingungen übertragen werden können. Insbesondere will man im Labor aus Messungen kleinen Maßstabs Gesetzmäßigkeiten für Bedingungen in der Wirklichkeit finden. Im Fall der reibungsbehafteten Rohrströmung stellte man fest, dass der Druckverlust proportional zur Rohrlänge ist. Außerdem fand man heraus, dass sich Rohre mit dem gleichen Verhältnis der Rauigkeitshöhe zum Rohrdurchmesser k/d bezüglich Reibungsdruckverlust gleich verhalten. Damit müssen für verschiedene Rohrlängen keine Messungen durchgeführt werden. Die Variation der Rauigkeitshöhe muss nur noch für einen Durchmesser erfolgen. Mit diesen Vereinfachungen sind aber immer noch 104 Messungen notwendig. Da man sich nicht nur auf die Strömung in langen, geraden und waagerechten Rohren beschränkt, sind für die jeweiligen Strömungsbedingungen noch mehrere Variable zu berücksichtigen. Deshalb wurden Gesetzmäßigkeiten gesucht, bei denen zwei Strömungen als physikalisch ähnlich betrachtet werden können. Diese Gesetze nennt man Ähnlichkeitsgesetze (similitude). Mit ihrer Hilfe kann die Zahl der Einflussgrößen wesentlich reduziert werden.
6.2
Ähnlichkeitsgesetze und Kennzahlen
Zwei Strömungen mit wirklichen Fluiden sind dann physikalisch ähnlich, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind: • • •
alle Längenabmessungen weisen die gleiche Proportionalität auf alle Oberflächenbeschaffenheiten weisen die gleiche Proportionalität auf alle Strömungskräfte weisen die gleiche Proportionalität auf.
Bezüglich der Längenabmessungen bedeutet Proportionalität Folgendes: Wird z. B. der Durchmesser d als charakteristische Größe für die Strömung ausgewählt, verhalten sich die anderen Längen l, die Querschnitte A und die Volumina V folgendermaßen: d1 d2
l1 A1 l 2 A2
d12 d 22
V1 V2
d13 d3
(6.1)
Zur Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit wird die mittlere Rauigkeitshöhe k verwendet. Ihre Dimension ist die Länge. Damit muss für die Ähnlichkeit die gleiche Proportionalität wie für die Längenabmessungen gelten: d1 d2
k1 k2
(6.2)
Die auf eine Strömung wirkenden Kräfte sind die Reibungskraft FR, die Druckkraft Fp und die Trägheitskraft Fa. Sind zwei Strömungen ähnlich, müssen alle drei Kräfte gleiche Proportionalität aufweisen.
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
FR1 FR 2
Fp1 Fp 2
Fa1 Fa 2
107
(6.3)
Die geometrische Summe der Reibungs- und Druckkraft ist die Trägheitskraft. Daher genügt es, wenn zwei der Kräfte gleiche Proportionalität aufweisen. 6.2.1
Reynoldszahl
Die Reynoldszahl Re (Reynolds number) wird als Verhältnis der Trägheitskraft zur Reibungskraft definiert. Diese Kennzahl wurde vom englischen Physiker Osborne Reynolds zum ersten Mal angegeben. Die Reibungskraft kann aus der Definition der Viskosität bestimmt werden. FR
A W
A K
dc x dx
(6.4)
Unter Berücksichtigung der Proportionalität der Längen ist das Verhältnis der Reibungskräfte zweier Strömungen:
FR1 FR 2
dc x1 dx1 dc x 2 A2 K 2 dx2 A1 K1
d1 K1 c1 d 2 K 2 c2
(6.5)
Die Trägheitskraft ist das Produkt aus Masse und Beschleunigung. Damit gilt für die Proportionalität der Trägheitskräfte: Fa1 Fa 2
U1 V1 a1 U 2 V2 a 2
(6.6)
Die Beschleunigung a lässt sich aber auch als c2/l bzw. c2/d angeben. Unter Berücksichtigung der Proportionalität der Längen erhält man: Fa1 Fa 2
U1 d12 c12 U 2 d 22 c22
(6.7)
Mit den Gln. (6.4) bis (6.7) bekommt man für das Verhältnis der Trägheits- zur Reibungskraft: c1 d1 U1
c2 d 2 U 2
K1
K2
(6.8)
Die Reibungs- und Trägheitskräfte und damit auch die Druckkräfte zweier Strömungen haben die gleiche Proportionalität, wenn das Produkt der Strömungsgeschwindigkeit, der typischen Länge und Dichte, geteilt durch dynamische Viskosi-
108
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
tät, in beiden Strömungen gleich ist. Diese Größe ist dimensionslos und wird Reynoldszahl Re genannt. Re
cd U
cd
K
Q
(6.9)
Gemäß Herleitung ist die Reynoldszahl das Verhältnis der Trägheits- zu Reibungskräften in einer Strömung. Zwei Strömungen gleicher Reynoldszahl haben bezüglich der auf sie wirkenden Kräfte die gleiche Proportionalität. Die Reynoldszahl ist die wichtigste Kennzahl, um reibungsbehaftete Strömungen zu untersuchen. Wie in den nächsten Kapiteln gezeigt wird, können mit ihrer Hilfe sehr einfach Reibungsgesetze und Grenzen der Strömungsformen beschrieben werden. 6.2.2
Froudezahl
Wenn in einer Strömung die Schwerkraft zusätzlich einen wesentlichen Einfluss hat, muss sie bei ähnlichen Strömungen die gleiche Proportionalität haben wie die Trägheitskraft. Dies ist der Fall, wenn das Geschwindigkeitsquadrat, geteilt durch das Produkt der typischen Länge und der Erdbeschleunigung in beiden Strömungen gleich groß ist. c12 d1 g
c22 d2 g
(6.10)
Diese Größe wird Froudezahl Fr (Froude number) genannt. Sie ist das Verhältnis der Trägheits- zur Schwerkraft. Zwei Strömungen, in denen die Schwerkraft eine wesentliche Rolle spielt, sind dann ähnlich, wenn sie die gleiche Froudezahl haben. Neuerdings wird die Froudezahl Fr als Wurzel des Kräfteverhältnisses definiert.
Fr 6.2.3
c d g
(6.11)
Eulerzahl
Eine weitere wichtige Kennzahl ist die Eulerzahl Eu. Sie ist das Verhältnis der Druckkraft zur Trägheitskraft. Dabei wird die Trägheitskraft durch den dynamischen Druck repräsentiert.
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Eu
p1 p 2 U c2 2
'p U c2
109
(6.12)
2
Die Eulerzahl kommt hauptsächlich bei der Untersuchung der durch Reibung verursachten Druckänderungen zur Anwendung. Sie figuriert dann unter den Bezeichnungen Reibungsziffer, Reibungszahl oder Reibungskoeffizient. Zwei weitere wichtige Kennzahlen, die später noch besprochen werden, sind die Machzahl und Weberzahl. 6.2.4
Modellversuche
Wie schon erwähnt, muss man durch Messungen die Gesetzmäßigkeiten der Strömung wirklicher Fluide empirisch herleiten. Am Beispiel des Reibungsdruckverlustes in einem langen, geraden, waagerechten Rohr waren für 10 Variationen der einzelnen Einflußgrößen 106 Messungen notwendig. Damit bei der Bestimmung des Druckverlustes physikalisch ähnliche Strömungen herrschen, genügt es, die Reynoldszahl und das Verhältnis der Rauigkeitshöhe zum Durchmesser zu variieren. Bei sehr kurzen Rohren (l ≈ d) müsste noch das Verhältnis des Durchmessers zur Länge berücksichtigt werden. Damit reduziert sich die Anzahl der Versuche wesentlich. Aus Messungen mit Rohren kleineren Durchmessers kann bei gleicher Reynoldszahl und gleichem Verhältnis der Rauigkeitshöhe zum Durchmesser auf die Gesetzmäßigkeit für große Rohre geschlossen werden. Dies gilt auch bei komplexeren Problemen wie z. B. bei der Bestimmung des Luftwiderstands von Flugzeugen, bei der Ermittlung der Windkräfte auf Gebäude, bei Krafteinwirkungen auf die Schaufeln von Strömungsmaschinen usw. Mit relativ kostengünstigen Modellversuchen können die für die Wirklichkeit entsprechenden Größen bei gleicher Reynoldszahl bestimmt werden. Spielt die Schwerkraft eine wesentliche Rolle, muss beim Modellversuch auch die Froudezahl gleich groß sein. Dies ist bei der Untersuchung der Strömung von Gewässern, Auslaufvorgängen aus Behältern usw. wichtig. Die Modellversuche (model tests) werden in Wind-, Wasser- und Schleppkanälen durchgeführt. Bei Verwendung der gleichen Reynolds- und Froudezahl kann aus dem Modellversuch auf die Kräfteverhältnisse, Drücke und Stromlinienverläufe in der Wirklichkeit geschlossen werden.
110
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
BEISPIEL 6.1: Untersuchung des Luftwiderstands eines Autos am Modell im Windkanal An einem Modell im Windkanal wird das Verhalten eines Autos bezüglich des Luftwiderstands untersucht. Im Windkanal erreicht man die Strömungsgeschwindigkeit von 200 m/s. Die charakteristische Länge des Autos ist seine Länge in Fahrtrichtung. Das Widerstandsverhalten soll bis zu einer Geschwindigkeit von 180 km/h untersucht werden. Welchen Maßstab darf das Modell haben? Lösung Schema
c
Siehe Skizze
Annahmen • •
Die für die Ähnlichkeit maßgebliche Kennzahl ist die Reynoldszahl. Die Luft ist inkompressibel.
Analyse Der Fahrtwind für das Auto und das Fluid im Windkanal sind jeweils Luft. Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck ist die kinematische Viskosität für das Original und Modell identisch. Um die gleiche Reynoldszahl zu erreichen, müssen die Geschwindigkeiten umgekehrt proportional zur Länge des Fahrzeugs sein. Die zu untersuchende Geschwindigkeit des Autos ist 180 km/h, was 50 m/s entspricht. Im Windkanal werden Geschwindigkeiten bis zu 200 m/s erreicht. Sie sind viermal größer als die des Originals. Die Länge des Modells kann so ein Viertel des Originals sein. Der zu verwendende Maßstab ist 1 : 4. Diskussion Durch die Verwendung eines kleineren Modells können die Kosten für den Versuch wesentlich reduziert werden, außerdem verringern sich die Investitions- und Betriebskosten (Energie) für den Windkanal. BEISPIEL 6.2: Modellversuch an einem Ventil Anhand eines Modells mit dem Durchmesser von 150 mm soll ein Ventil für die Kanalisation mit DN1500 gestestet werden. Im Original strömen 1,5 m3/s Wasser. Beim Versuch entspricht die Temperatur des Wassers der des Originals. Bestimmen Sie die Strömungsgeschwindigkeit im Modell und Original, außerdem den Volumenstrom im Modell.
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
111
Lösung Annahmen • •
Die für die Ähnlichkeit maßgebliche Kennzahl ist die Reynoldszahl. Das Wasser ist inkompressibel.
Analyse Da die Versuche mit dem Modell bei der gleichen Temperatur durchgeführt werden wie jene, bei der das Original arbeitet, ist die kinematische Viskosität für beide Fälle gleich groß. Um die gleiche Reynoldszahl zu erreichen, muss die Geschwindigkeit im Versuch umgekehrt proportional zum Durchmesser, also zehnmal größer sein. Im Original beträgt die Geschwindigkeit:
cO
V / A 4 V /(S d 2 )
0,849 m/s
Im Modell ist die Geschwindigkeit zehnmal größer, also: 8,49 m/s. Da sich der Strömungsquerschnitt quadratisch zum Durchmesser verhält, ist der Volumenstrom zehnmal kleiner als im Original. Diskussion Trotz vergrößerter Geschwindigkeit kann der Massenstrom wesentlich verringert werden, was die Kosten der Versuche und die Größe der Versuchsanlage erheblich dezimiert. Dies wird erreicht, weil in der Reynoldszahl der Durchmesser die charakteristische Länge ist. Die Verkleinerung des Durchmessers verlangt zwar die proportionale Erhöhung der Geschwindigkeit, der Strömungsquerschnitt wird aber quadratisch verkleinert, was eine lineare Verringerung des Volumenstromes zur Folge hat. 6.2.5
Strömungsformen
Bei der Strömung von Fluiden wurden Strömungsformen (flow patterns), die verschiedenen Gesetzmäßigkeiten gehorchen, beobachtet. In geschlossenen Kanälen und bei der Umströmung feststehender Körper unterscheidet man zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Bei laminarer Strömung, auch Schichtenströmung genannt, bewegen sich die Fluidteilchen in einem Rohr parallel zur Rohrachse, damit haben sie senkrecht zu ihr keine Geschwindigkeitskomponenten. Bei turbulenter Strömung in einem Rohr hat ein Fluidteilchen eine Hauptgeschwindigkeit in Richtung Rohrachse, der aber zusätzliche, zeitlich variierende Geschwindigkeitskomponenten in allen Strömungsrichtungen überlagert sind. Die Reynoldszahl ist das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Reibungskräften. Durch diese Kräfte wird die Querbewegung in der turbulenten Strömung verursacht. Deshalb eignet sich die
112
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Reynoldszahl zur Unterscheidung der Strömungsformen. Sie werden am Beispiel der Rohrströmung und der Umströmung einer Kugel besprochen. In offenen Kanälen mit freier Flüssigkeitsoberfläche treten bei der Strömung von Flüssigkeiten ebenfalls zwei verschiedene Strömungsformen auf, die durch die Froudezahl unterschieden werden. 6.2.5.1
Strömungsformen im Rohr
Je nach Größe der Reynoldszahl tritt in einem Rohr entweder laminare oder turbulente Strömung auf. Dies kann mit einem Farbstrahl demonstriert werden (Bild 6.1). Bringt man in eine Rohrströmung das gleiche, aber gefärbte Fluid ein, bleibt in einer laminaren Strömung der Querschnitt des gefärbten Fluids konstant und vermischt sich nicht mit dem übrigen Fluid. Bei der turbulenten Strömung wird als Folge der Querbewegung der Farbstrahl aufgerissen und das Fluid im gesamten Rohrquerschnitt eingefärbt. Die laminare Strömung weist ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil auf, bei turbulenter Strömung ist es abgeflacht. Farbe
Farbe
laminare Strömung
turbulente Strömung
Bild 6.1: Veranschaulichung der laminaren und turbulenten Strömung
Zur Unterscheidung der Strömungsform wird die Reynoldszahl verwendet. Die Geschwindigkeit, mit der die Reynoldszahl berechnet wird, ist die mittlere Geschwindigkeit der Strömung, ermittelt aus der Kontinuitätsgleichung. Re
c d U
c d
K
Q
c
m A U
(6.13)
Ist die Reynoldszahl kleiner als 2'320, ist die Strömung laminar. Ist sie größer als 2'320, ist sie turbulent. Re < 2'320 laminare Strömung Re > 2'320 turbulente Strömung Bei sehr günstigen Bedingungen kann die laminare Strömung auch noch bei Reynoldszahlen, die größer als 2'320 sind, auftreten. Diese Strömung ist instabil. Beim Auftreten einer kleinsten Störung erfolgt der Übergang zur turbulenten Strömung. In der Regel treten solche Strömungen nur unter Laborbedingungen auf. Wird dagegen in einer turbulenten Strömung die Reynoldszahl von 2'320 z. B.
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
113
durch Drosselung der Strömungsgeschwindigkeit unterschritten, entsteht laminare Strömung. 6.2.5.2
Strömungsformen an umströmten Körpern
werden am Beispiel einer umströmten Kugel erläutert (Bild 6.2). Re < 1'000
schleichende Umströmung
1'000
unterkritische Umströmung
Re > 170'000 bis 400'000 Totwassergebiet
überkritische Umströmung
Bild 6.2: Strömungsformen bei der Umströmung einer Kugel
Die Strömung kann bei der laminaren Anströmung vor und nach der Kugel laminar bleiben. In diesem Fall spricht man von einer schleichenden Umströmung. Nach der Kugel schließen sich die Stromlinien wieder. Schleichende Strömung tritt bei Reynoldszahlen unter 1'000 auf. Die Reynoldszahl wird mit der Anströmgeschwindigkeit c und dem Durchmesser d der Kugel gebildet. Bei höheren Reynoldszahlen reißt die laminare Strömung am Meridiankreis (größter Kugelumfang) ab. Hinter der Kugel bildet sich ein großes, wirbelbehaftetes Totwassergebiet. Die übrige Strömung ist laminar und wird als unterkritische Umströmung bezeichnet. Sie tritt je nach Versuchsbedingungen zwischen Reynoldszahlen von 1'000 und 170'000 bis 400'000 auf. Bei noch größeren Reynoldszahlen setzt die überkritische Umströmung ein. Die Strömung reisst hinter dem Meridiankreis ab, das Totwassergebiet ist klein. Re < 1'000 1'000 < Re < 170'000 bis 400'000 Re > 170'000 bis 400'000
schleichende Umströmung unterkritische Umströmung überkritische Umströmung
Die hier angegebenen Grenzen gelten für eine Kugel. Die Form eines Körpers kann die Grenzen stark beeinflussen. Charakteristische Längen für andere Geometrien werden später besprochen. 6.2.5.3
Strömung von Flüssigkeiten mit freier Oberfläche
Bei der Strömung in offenen Gerinnen (Flüsse, Kanäle) oder in teilweise gefüllten Rohrleitungen tritt je nach Größe der Froudezahl eine strömende oder schießende Bewegung auf. Die Froudezahl wird mit der Flüssigkeitstiefe gebildet. Bei Froudezahlen, die kleiner als 1 sind, tritt die strömende Bewegung auf, die man in
114
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Flüssen und Kanälen vorfindet. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist klein, die Wassertiefe groß. Störungen breiten sich stromab- und stromaufwärts aus. Bei der schießenden Bewegung ist die Strömungsgeschwindigkeit groß, die Wassertiefe klein (Wildbach). Störungen breiten sich nur stromabwärts aus.
6.3
Energiebilanzgleichung reibungsbehafteter Strömung
Die Kontinuitätsgleichung wird durch Reibung nicht beeinflusst. Die Energiebilanzgleichung ist die des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für offene Systeme. In Kapitel 4 wurden für ideale Fluide die zugeführte Wärme und die Dissipationsarbeit zu null gesetzt. Hier werden weiterhin adiabate Systeme untersucht, d. h., es wird keine Wärme transferiert. Bei der reibungsbehafteten Strömung muss der Dissipationsterm in Gl. (4.4) berücksichtigt werden. Der erste Hauptsatz für reibungsbehaftete isochore (inkompressible) Strömungen wird durch Gl. (4.4) beschrieben [6.1]. Sie lautet: p2 p1 j12 U
ª c 2 U c12 U º « 2 g U ( z 2 z1 )» 2 ¬ 2 ¼
(6.14)
Der Dissipationsterm j12 . ρ hat die Dimension eines Druckes und wird im Folgenden als Reibungsdruckverlust ∆pv bezeichnet. Nach Umformung erhalten wir für die Druckänderung: p1 p 2
c22 U c12 U g U ( z 2 z1 ) 'pv 2 2
(6.15)
Die Druckänderung in einer reibungsbehafteten Stromröhre ist gleich der Summe der Änderungen des dynamischen Druckes, des hydrostatischen Druckes und des Reibungsdruckverlustes. Der Reibungsdruckverlust ist stets positiv. In einem waagerechten Rohr mit konstantem Strömungsquerschnitt verändert sich der Druck bei der inkompressiblen Strömung nur um den Reibungsdruckverlust. Diese Änderung ist immer positiv, d. h., der Druck am Austritt wird kleiner als am Eintritt. Die Bestimmung dieser Druckverluste ist Inhalt der nächsten Kapitel.
6.4
Reibungsdruckverlust in Rohren
Für die laminare und turbulente Strömung müssen Reibungsdruckverluste getrennt behandelt werden. Für die laminare Strömung in Rohrleitungen konstanten Querschnitts ist eine analytische Herleitung des Reibungsdruckverlustes möglich. Dies wird am Beispiel von Rohrleitungen kreisförmiger und rechteckiger Querschnitte
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
115
gezeigt. Bei der turbulenten Strömung muss die Gesetzmäßigkeit mit Modellvorstellungen empirisch ermittelt werden. 6.4.1
Druckverlust in der laminaren Rohrströmung
In Bild 6.3 ist der Abschnitt einer waagerechten Rohrleitung kreisförmigen Querschnitts dargestellt, in dem ein Fluid mit zeitlich konstanter Geschwindigkeit strömt. Die x-Achse verläuft in der Rohrmitte. r0
W
p1
p2
r x
l
c(r)
W
1
2
Bild 6.3: Zur Herleitung der laminaren Strömung
Die Strömung erfolgt laminar, d. h., in genügendem Abstand vom Eintritt strömen die Fluidteilchen in achsparallelen Schichten. Die Geschwindigkeit verändert sich nur mit dem Radius r, d. h. sie sind in gleicher Entfernung von der Rohrachse jeweils gleich groß. Das Fluid haftet an der Wand, die Geschwindigkeit ist dort gleich null. Das Rohr hat den Radius r0. Innerhalb des Rohres betrachten wir einen kleinen Teilzylinder mit dem Radius r und der Länge l. Infolge Reibung entsteht zwischen den Stellen 1 und 2 ein Druckverlust. An Stelle 1 wirkt auf die Stirnfläche des Kreiszylinders eine größere Druckkraft als an Stelle 2. In einer stationären Strömung muss diese Druckkraft im Gleichgewicht mit den Schubspannungskräften sein, die auf die Oberfläche am Umfang des Teilzylinders wirken. Nach dem Newton'schen Schubspannungsansatz ist die Schubspannung:
W
K
dc dr
(6.16)
Die durch Reibung ausgeübte Kraft wird damit: FR
2 S l r W
2 S l r K
dc dr
(6.17)
Die Druckkraft berechnet sich als: Fp
( p1 p2 ) S r 2
(6.18)
In einer stationären Strömung sind diese beiden Kräfte gleich groß. Damit erhält man für die Geschwindigkeit folgende Differentialgleichung:
116
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
( p1 p 2 ) r
2 l K
dc dr
(6.19)
Nach Separation der Variablen und Integration ergibt sich für die lokale Geschwindigkeit c(r): c(r )
p1 p 2 r 2 C 2 l K 2
(6.20)
Die Integrationskonstante C wird mit der Randbedingung c = 0 für r = r0 bestimmt: C
p1 p 2 2 r0 4 l K
Damit kann die Geschwindigkeit als eine Funktion des Radius r angegeben werden: c(r )
p1 p2 (r02 r 2 ) 4 l K
(6.21)
Die Geschwindigkeitsverteilung nach dieser Gleichung wird Stokes'sches Gesetz genannt. Gl. (6.21) zeigt, dass die Geschwindigkeitsverteilung c = c(r) parabelförmig ist und die größte Geschwindigkeit in der Rohrmitte bei r = 0 erreicht wird. r
x c(r)
r
Bild 6.4: Geschwindigkeitsverteilung bei der laminaren Rohrströmung
Die mittlere Geschwindigkeit der Strömung kann durch Integration der Gl. (6.21) bestimmt werden. c
1 A
³
Á
c(r ) dA
1 r02
r0
p1 p2
³ 4 l K 0
(r02 r 2 ) 2 r dr
p1 p2 2 r0 8 l K
(6.22)
117
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
In der Rohrmitte wird die größte Geschwindigkeit cmax erreicht. Sie beträgt: p1 p2 2 r0 4 l K
cmax
(6.23)
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist halb so groß wie die maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit kann mit der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom und Rohrquerschnitt bestimmt werden. Setzt man weiterhin in Gl. (6.22) an Stelle des Rohrradius den Rohrdurchmesser d ein, erhält man: V
c
S 4
d2
S ( p1 p 2 ) d 4 128 l K
(6.24)
Die in Gleichung (6.24) hergeleitete Beziehung zwischen dem Volumenstrom und Druckverlust ist das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz. Es wurde unabhängig voneinander vom deutschen Wasserbauer Hagen und französischen Arzt Poiseuille entdeckt. Nach diesem Gesetz ist der Volumenstrom in einem waagerechten Rohr konstanten Querschnitts bei laminarer Strömung proportional zum Druckverlust und der vierten Potenz des Durchmessers, umgekehrt proportional zur Länge und dynamischen Viskosität. Gl. (6.24) kann auch nach der Druckänderung, die dem Reibungsdruckverlust entspricht, aufgelöst werden.
p1 p 2
'pv
128 l K V S d4
64 l K c 2d 2
(6.25)
Durch Ersetzen der dynamischen Viskosität durch die kinematische Viskosität und durch Umformung erhält man aus Gl. (6.25):
'pv
64 l c 2 U c d d 2
64 l c 2 U Re d 2
(6.26)
Q Der Ausdruck 64/Re wird Rohrreibungszahl λ (auch Rohrreibungsbeiwert oder Rohrreibungskoeffizient) genannt.
O
64 Re
(6.27)
Die Rohrreibungszahl (friction factor) ist wie die Reynoldszahl dimensionslos. Der Druckverlust laminarer Strömung ist proportional zur Rohrreibungszahl, zur dimensionslosen Länge l/d und zum dynamischen Druck des Fluids.
118
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
An Stelle der mittleren Strömungsgeschwindigkeit kann in Gl. (6.26) der Volumen- oder Massenstrom eingesetzt werden.
'p v
O
l c2 U d 2
O
l 8 m 2 d U S 2 d 4
O
l 8 V 2 U d S 2 d4
(6.28)
Die für die Strömung charakteristische Länge, die in die Reynoldszahl eingesetzt wird, ist in Rohren kreisförmigen Querschnitts der Rohrdurchmesser. Bei laminarer Strömung ist der Reibungsdruckverlust von der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeitshöhe) unabhängig. Laminare Strömung kommt nur bei Fluiden hoher Viskosität, bei kleinen Rohrdurchmessern und kleinen Strömungsgeschwindigkeiten vor. Zur Analyse des Druckverlustes wird die Eulerzahl verwendet.
Eu
'pv U c2
64 l Re d
O
l d
(6.29)
2 Die Eulerzahl ist nur eine Funktion der Rohrreibungszahl und dimensionslosen Länge l/d. Diese Darstellung der Druckverlustberechnung wird auch bei turbulenter Strömung übernommen. BEISPIEL 6.3: Druckverlust in einer Heizölleitung In einer geraden, horizontalen Rohrleitung mit 50 mm Innendurchmesser und 300 m Länge strömt Heizöl mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1 m/s. Die Dichte des Heizöls ist 800 kg/m3 und die kinematische Viskosität 50 . 10-6 m2/s. Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust in der Rohrleitung. Lösung Annahmen • •
Die Viskosität des Öls ist konstant. Der Strömungsquerschnitt ist konstant.
Analyse Um zu prüfen, ob die Strömung laminar ist, muss zunächst die Reynoldszahl bestimmt werden.
119
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
cd
Re
Q
1 m/s 0,05 m 50 10 6 m 2 /s
1' 000
Da die Reynoldszahl kleiner als 2'320 ist, ist die Strömung laminar. Die Rohrreibungszahl kann nach Gl. (6.27) berechnet werden.
O
64 / Re
0,064
Der Reibungsdruckverlust ist nach Gl. (6.28): 'pv
O
l c2 U d 2
0,064
300 m 12 m 2 /s 2 800 kg/m 3 0,05 m 2
153'600 Pa 1,536 bar
Diskussion Bei der Berechnung des Reibungsdruckverlustes ist darauf zu achten, dass die richtigen Einheiten eingesetzt werden. BEISPIEL 6.4: Bestimmung des Massenstromes und Reibungsdruckverlustes In einer horizontalen Leitung mit 100 mm Innendurchmesser strömt Rohöl. Die Länge der Leitung ist 30 m. Im 30 mm-Abstand von der Wand wird die Strömungsgeschwindigkeit mit einem Prandtlrohr gemessen. Der gemessene dynamische Druck beträgt 576 Pa. Kinematische Viskosität des Rohöls: 90 . 10-6 m2/s, Dichte: 800 kg/m3. Bestimmen Sie den Massenstrom und den Reibungsdruckverlust in der Rohrleitung.
Siehe Skizze
30mm
Schema
100mm
Lösung
Annahmen 'p
• •
Die Viskosität des Öls ist konstant. Der Strömungsquerschnitt ist konstant.
Analyse Aus der Messung mit dem Prandtlrohr wird die Geschwindigkeit nach Gl. (4.7) bestimmt. c
2 'p dyn
U
2 576 Pa 800 kg/m 3
1,2 m/s
120
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Diese Geschwindigkeit wurde im 30 mm-Abstand von der Rohrwand bestimmt. Die mittlere Geschwindigkeit berechnet man mit den Gln. (6.21) und (6.22). c(r )
p1 p 2 (r02 r 2 ) 4 l K
p1 p2 2 r0 8 l K
c
Aus beiden Gleichungen folgt für die mittlere Geschwindigkeit: c
r2 c(r ) 2 0 2 2 ( r0 r )
50 2 0,6 m/s 50 2 20 2
0,714 m/s
Der Massenstrom beträgt:
m S r02 U c Die Reynoldszahl ist:
S 0,052 m 2 800 kg/m3 0,714 m/s 4,49 kg/s Re
cd
0,714 0,1
794
Q 90 10 6 Da die Strömung laminar ist, sind die vorgehenden Berechnungen richtig. Der Reibungsdruckverlust berechnet sich als: 64 l c 2 U Re d 2 2 2 2 30 m 0,714 m /s 800 kg/m 3 0,081 4'937 Pa 0,1 m 2
'pv
0,0494 bar
Diskussion In einer laminaren Strömung kann aus der Messung der lokalen Geschwindigkeit die mittlere Geschwindigkeit einfach bestimmt werden. 6.4.2
Druckverlust in der turbulenten Rohrströmung
Die Gesetzmäßigkeiten für turbulente Rohrströmung können nicht analytisch hergeleitet werden. Die lokale Strömungsgeschwindigkeit ist zeitlich nicht konstant. Zu den lokalen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten kommen zusätzliche, kleinere turbulente Bewegungen, die auch als turbulente Schwankungen bezeichnet werden. Diese Bewegungen sind in allen Richtungen vorhanden. Messungen zeigten, dass die Geschwindigkeitsverteilung in der Rohrmitte sehr flach ist und die Strömungsgeschwindigkeit fast im gesamten Querschnitt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit entspricht. In der Nähe der Rohrwand kann man ein starkes Abfallen der Geschwindigkeit beobachten. In einer dünnen, wandnahen Grenzschicht ist die Strömung laminar. Werden die Messergebnisse in hydraulisch glatten Rohren
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
121
nach der Eulerzahl geordnet, stellt man fest, dass die Abnahme der Rohrreibungszahl mit der Reynoldszahl zwar vorhanden, jedoch wesentlich kleiner als bei der laminaren Strömung ist. In Rohren mit einer technisch rauen Oberfläche hat die Rauigkeitshöhe zusätzlich Einfluss auf die Rohrreibungszahl. Mit zunehmenden Reynoldszahlen nimmt auch der Einfluss der Rauigkeitshöhe zu, die dann allein die Rohrreibungszahl bestimmt. Nach Prandtl [6.2] ist die Dicke δ der laminaren Grenzschicht:
G
(6.30)
62,7 Re 0,875 d
Die Grenzschichtdicke nimmt mit zunehmender Reynoldszahl ab. Damit ist der Einfluss der Rauigkeitshöhe zu erklären. Bei kleinen Rauigkeitshöhen befinden sie sich in der laminaren Grenzschicht und beeinflussen die Reibung nicht. Bei Reynoldszahlen von 100'000 ist nach Prandtl die Dicke der laminaren Grenzschicht das 0,0026fache des Durchmessers. In einem Rohr mit 50 mm Durchmesser beträgt sie 0,13 mm. Rauigkeiten, deren Höhen größer sind, ragen aus der laminaren Grenzschicht heraus. Blasius hat nach Sichtung vieler Messungen und mit einem Potenzgesetz nach von Kármán für die Geschwindigkeitsverteilung eine Gesetzmäßigkeit für die Rohrreibungszahl hergeleitet. Die Geschwindigkeitsverteilung wird nach von Kármán folgendermaßen angegeben: 1
c
(6.31)
cmax (1 r / r0 ) n
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit kann durch Integration über dem gesamten Rohrquerschnitt bestimmt werden. r0
c
1
cmax (1 r / r0 ) n r dr r02 0
³
c c max
cmax
2 n2 (n 1) (2 n 1)
2 n2 ( n 1) (2 n 1)
(6.32)
Dieses Geschwindigkeitsprofil ist in Bild 6.5 dargestellt. Es stimmt außerhalb der laminaren Grenzschicht in Wandnähe sehr gut mit gemessenen Werten überein. In der Rohrmitte weist das Geschwindigkeitsprofil eine Unstetigkeit auf, was mit der Wirklichkeit nicht übereinstimmt. Blasius hat aus den ihm zur Verfügung stehenden Messungen für n den Wert 7 ermittelt. Dieser Wert stimmt bei Reynoldszahlen zwischen 10'000 und 100'000 recht gut. Bei anderen Reynoldszahlen fand man für n Werte zwischen 5,3 und 10 (Bild 6.6).
122
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
10
r0
9
r
Exponent n
wirkliche Strömung c max
d
1/7-Potenzgesetz
c(r)
G
c
8 7 6
laminare Grenzschicht
5
Bild 6.5: Geschwindigkeitsverteilung in der turbulenten Rohrströmung
3
10
4
10
5
6
10 10 Reynoldszahl
7
10
Bild 6.6: Exponent der Geschwindigkeitsverteilung
An der Rohrwand wird die Steigung des Geschwindigkeitsprofils allerdings gleich unendlich. Dies würde bedeuten, dass nach dem Newton'schen Schubspannungsansatz an der Wand die Schubspannung unendlich groß ist, was mit der Wirklichkeit wiederum nicht übereinstimmt. Nimmt man an, dass in der laminaren Grenzschicht das Geschwindigkeitsprofil entsprechend der laminaren Strömung verläuft und dann in die durch das Potenzgesetz angegebene Form übergeht, kann die Rohrreibungszahl bestimmt werden. Blasius fand folgende Gesetzmäßigkeit:
O
(6.33)
0,3164 Re 0, 25
Die so ermittelten Rohrreibungszahlen zeigen bis zu Reynoldszahlen von 105 eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit gemessenen Werten. Für größere Reynoldszahlen liefert Gl. (6.33) zu kleine Werte. Bei hydraulisch glatten Rohren wird hier eine von Prandtl hergeleitete Beziehung verwendet.
O
>log ( Re
2
O ) 0,8
@
2
(6.34)
Die in den Gln. (6.33) und (6.34) hergeleiteten Beziehungen gelten für glatte Rohre. Rohre mit kleinen Rauigkeitshöhen, bei denen 65 < Re . k/d ist, können als glatte Rohre behandelt werden. Bei sehr hohen Reynoldszahlen, wenn Re . k/d > 1'300 ist, wird die Rohrreibungszahl nur von der Rauigkeit bestimmt. Hier fand man folgenden Zusammenhang:
O
>2 log(3,715 d / k )@2
(6.35)
Es gibt einen Bereich, in dem die Rohrreibungszahl von der Rauigkeit, aber auch von der Reynoldszahl bestimmt wird. Dies ist der Fall, wenn 65 < Re . k/d < 1'300. Hier ragen die Rauigkeitserhöhungen nur wenig aus der laminaren Grenzschicht und beeinflussen die Reibungsgesetze. Colebrook ermittelte in diesem Bereich folgende Beziehung für die Rohrreibungszahl:
123
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» « 2 log¨¨ d ¹¼» © Re O ¬«
O
2
(6.36)
Strebt die Reynoldszahl gegen unendlich, geht Gl. (6.36) in Gl. (6.35) über. Bei einer mittleren Rauigkeitshöhe von k = 0 geht Gl. (6.36) in Gl. (6.34) über. Tabelle 6.1: Gleichungen und Gültigkeitsbereiche der Rohrreibungszahl λ
Formel
Gültigkeitsbereich
O
64 Re
Re < 2'320
O
0,3164 Re 0 , 25
O
>log ( Re
O
>2 log(3,715 d / k )@2
O
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» 65 < Re . k/d < 1'300 « 2 log¨¨ d ¹»¼ «¬ © Re O
2
O ) 0,8
Strömung Rohr laminar
2'300 < Re < 105 und Re . k/d < 65 turbulent
@
2
glatt
Re > 105 und Re . k/d < 65
turbulent
glatt
Re . k/d > 1'300
turbulent
rau
turbulent
rau
2
Das Diagramm in Bild 6.7 zeigt die Rohrreibungszahlen. In Tabelle 6.1 sind die Gleichungen und ihre Gültigkeitsbereiche aufgelistet. Die genaue Berechnung der Rohrreibungszahl nach den Gln. (6.34) und (6.36) muss mit Iteration erfolgen. Als Anfangswert kann für die Rohrreibungszahl 0,02 oder ein Wert aus dem Diagramm in Bild 6.7 entnommen werden. Beide Gleichungen konvergieren sehr schnell. Die Berechnung der Rohrreibungszahlen ist auch mit dem Programm FMA0601 möglich. Rauigkeiten technisch verwendeter Rohre sind in Tabelle 6.2 angegeben. Tabelle 6.2: Rauigkeitshöhen technischer Rohre
gezogene Metall-, Kunststoff- und Glasrohre nahtlose Stahlrohre, neu nahtlose Stahlrohre, verzinkt, neu Stahlrohre nach längerer Benutzung gusseiserne Rohre
0,0005 bis 0,0015 mm 0,02 bis 0,06 mm 0,07 bis 0,16 mm 0,15 bis 3 mm 0,2 bis 3 mm
124
Bild 6.7: Rohreibungszahl λ
0,10 0,09 0,08
k/d = 20
0,07
0.05
50
Rohrreibungszahl
0.04
100
200
0.03
500 1'000
0.02
2'000 5'000 10'000 20'000 0,01
50'000 100'000 glatt 1'000
10'000
100'000
Reynolds zahl
1'000'000
10'000'000
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
0,06
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
125
BEISPIEL 6.5: Druckverlust in einer Wasserleitung In einer geraden, horizontalen Rohrleitung mit 25 mm Innendurchmesser und 300 m Länge strömt Wasser mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2 m/s. Die Rauigkeitshöhe beträgt 0,1 mm. Die Dichte des Wassers ist 998 kg/m3, die kinematische Viskosität 1 . 10-6 m2/s. Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust in der Rohrleitung. Lösung Annahmen • •
Die Viskosität des Wassers ist konstant. Der Strömungsquerschnitt ist konstant.
Analyse Um zu prüfen, ob die Strömung laminar oder turbulent ist, muss die Reynoldszahl bestimmt werden. Re
cd
Q
2 m/s 0,025 m 1 10 6 m 2 /s
50'000
Da die Reynoldszahl größer als 2'320 ist, ist die Strömung turbulent. Re . k/d = 50'000 . 0,1/25 = 200, also größer als 65. Daher wird die Rohrreibungszahl nach Gl. (6.37) berechnet.
O
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» « 2 log¨¨ d ¹¼» © Re O ¬«
2
0,03045
Aus dem Diagramm in Bild 6.7 liest man 0,0305 ab. Der Unterschied ist weniger als 0,2 %. Der Reibungsdruckverlust berechnet sich nach Gl. (6.27):
'pv
l c2 U d 2
O
0,03045
300 m 2 2 m 2 /s 2 998 kg/m 3 0,025 m 2
729'365 Pa
Diskussion Bei der Berechnung des Reibungsdruckverlustes ist darauf zu achten, dass die richtigen Einheiten eingesetzt werden.
126
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
BEISPIEL 6.6: Pumpenauslegung Aus einem atmosphärischen Behälter mit dem Druck p1 = 0,98 bar soll Wasser mit einer Pumpe in einen Behälter mit 4 bar Druck gepumpt werden. Die in der Skizze angegebenen geodätischen Höhen sind: z1 = 0 m, z2 = z3 = 5 m, z4 = 10 m. Der Durchmesser d3 = 100 mm. Die Geschwindigkeit c3 = 4 m/s. Aus einem Katalog möchten Sie eine passende Pumpe aussuchen. Dazu müssen der Volumenstrom und die Förderhöhe (Druckdifferenz p3 – p2, angegeben als m Wassersäule) bestimmt werden. Aus dem Katalog ist ersichtlich, dass der NPSH-Wert (nominal pump suction head) mit 4 m angegeben ist. Dies bedeutet, dass der Druck p2 vor der Pumpe größer sein muss als der Sättigungsdruck p4 des Wassers plus des Druckes entsprechend der Wasserz4 säule von 4 m. Bestimmen Sie den Volumenstrom, die 4 Förderhöhe der Pumpe und den zur Einhaltung des NPSHWertes notwendigen Durchmesser d1. Die Temperatur des Wassers ist 20 °C. Der Sättigungsdruck beträgt bei dieser Temperatur 23,4 mbar. Dichte des Wassers: 998 kg/m3, kid3 nematische Viskosität: 10-6 m2/s. Die Oberfläche der Roh3 re ist glatt. z 3
Lösung Schema
z2
2
Siehe Skizze 1
p1
d1 z1
Annahmen • • •
Dichte und Viskosität des Wassers sind konstant. Die Verdichtung in der Pumpe wird als reibungsfrei angenommen. Die Geschwindigkeiten an den Stellen 1 und 4 sind so klein, dass sie vernachlässigt werden können.
Analyse Mit den gegebenen Größen Durchmesser d3 und Geschwindigkeit c3 kann der Volumenstrom berechnet werden. V
S 4
d 32 c3
m ʌ 0,01 m 2 4 4 s
0,03142 m 3 /s
Zur Bestimmung der Förderhöhe muss man die Drücke p2 und p3 bestimmen. Druck p3 kann mit den vorhandenen Angaben berechnet werden. Zur Ermittlung des Druckes p2 ist zunächst der Durchmesser der Pumpensaugleitung zu bestimmen. Nach der Vorgabe muss der Druck p2 größer sein als der Sättigungsdruck des Wassers plus Schweredruck einer 4 m hohen Wassersäule.
127
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
p2 ! p s g U 4 m
2'340 Pa 9,81 m/s 2 998 kg/m 3 4 m
41'501 Pa
Dies bedeutet, dass die Druckänderung in der Saugleitung kleiner sein muss als der Druck p1 abzüglich 41'488 Pa. Die Druckänderung setzt sich aus dem Reibungsdruckverlust und der Änderung des dynamischen und Schweredruckes zusammen. 56'512 Pa ! p1 p2
ª1
U « c22 g ( z 2 z1 ) O ¬2
l 1 2º c2 » d2 2 ¼
Die Geschwindigkeit c2 und die Rohrreibungszahl λ hängen vom Durchmesser d2 ab. Der mathematische Zusammenhang ist meist so komplex, dass nur eine iterative Lösung sinnvoll ist. Die Geschwindigkeit c2 kann mit der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom mit dem Durchmesser d2 bestimmt werden. 4 V S d 22
c2
In die vorgehende Gleichung eingesetzt, erhalten wir:
ª
56'512 Pa ! p1 p2
§
U « g ( z 2 z1 ) ¨¨1 O
1 · 8 V 2 º ¸ » d 2 ¸¹ S 2 d 24 ¼»
© ¬« Für die nummerische Berechnung kann der Schweredruck bestimmt und eingesetzt werden. Die Gleichung vereinfacht sich damit zu: § O l · 8 V 2 ¸ 7'577 Pa ! U ¨¨1 d 2 ¸¹ S 2 d 24 ©
Diese Gleichung kann nicht nach d2 aufgelöst werden. Die Rohrreibungszahl ist von der Reynoldszahl und damit vom Durchmesser d2 abhängig. Die Berechnung wird mit einer Rohrreibungszahl von 0,02 gestartet. Damit werden der Durchmesser d2 und dann die Rohrreibungszahl ermittelt. d2 wird so lange neu bestimmt, bis die erforderliche Genauigkeit erreicht ist.
O 0,02 d 2 ! 0,1179 m Die Rohrreibungszahl wird nach Gl. (6.35) iterativ berechnet. O O O
>log ( Re
2
O ) 0,8
@
2
0,0141
0,0141 d 2 ! 0,1141 m
0,0140
d 2 ! 0,1140 m
Wir wählen hier eine Leitung mit der NW125, d. h. mit 125 mm Innendurchmesser, aus. Damit wird die Rohrreibungszahl: c2
2,56 m/s
Re
320'000
O
0,0143
128
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
p2
ª º l 1 p1 U « g ( z 2 z1 ) (1 O ) c 22 » d 2 2 ¬ ¼
ª § 5 · 2,56 2 º 98'000 998 «9,81 5 ¨¨1 0,0143 ¸ » 0,125 ¸¹ 2 ¼ © ¬
43'926 Pa
Der Druck nach der Pumpe rechnet sich als: p3
ª º l 1 p 4 U « g ( z 4 z 3 ) (O 1) c32 » d3 2 ¬ ¼
Die Rohrreibungszahl wird mit Gl. (6.35) berechnet und ist 0,0137. Die Zahlenwerte eingesetzt, erhält man für den Druck p3 = 446'423 Pa. Die Förderhöhe ∆z wird aus der Differenz der Drücke p3 und p2 bestimmt.
'z
p3 p 2 gU
(44'6 423 43'926) Pa 9,81 m/s 998 kg/m 3
41,126 m
Diskussion Mit der um den Reibungsdruckverlust erweiterten Bernoulli-Gleichung können die Druckänderungen, die durch den Reibungsdruckverlust und durch Änderung der Geschwindigkeit und geodätischen Höhe verursacht sind, berechnet werden. Es ist stets darauf zu achten, richtige Einheiten zu verwenden. BEISPIEL 6.7: Änderung des Massenstromes durch die Vergrößerung einer Leitung In einem Ziegelstein befinden sich 100 Löcher mit je 3 mm Durchmesser. Durch die Löcher strömt Luft. Der Druck am Eintritt ist p1 = 1,03 bar, am Austritt p2 = 0,98 bar. Eines der Löcher wird auf 10 mm Innendurchmesser erweitert. Die Luft kann als inkompressibles Medium mit der Dichte von 1,15 kg/m3 und kinematischen Viskosität 15,6 . 10-6 m2/s angenommen werden. Die Maße des Quaders sind in der Skizze angegeben. Die Rauigkeit der Bohrungen ist 0,1 mm. Bestimmen Sie den Massenstrom der Luft vor und nach dem Aufbohren des einen Loches. Lösung Schema
p2
mm 150
Siehe Skizze
p1
129
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Annahmen • • • •
Die Dichte und Viskosität der Luft sind konstant. Die Luft ist inkompressibel. Bei der Einströmung wird die Änderung der Geschwindigkeit vernachlässigt. Durch das Aufbohren des einen Loches verändert sich der Druck nicht.
Analyse Da die Geschwindigkeit in den Bohrungen unbekannt ist und die Reynoldszahl daher nicht bestimmt werden kann, wird vorausgesetzt, dass die Strömung turbulent ist. Wegen der unbekannten Reynoldszahl rechnet man zuerst mit einer angenommenen Rohrreibungszahl. Da alle Rohre an Ein- und Austritten den gleichen Druck haben, ist auch der Druckverlust in allen Rohren gleich groß. Mit Gl. (6.27) kann die Geschwindigkeit in den Rohren bestimmt werden. 0,02
O
c
2 'pv d O l U
2 5'000 Pa 0,003 m 0,02 0,15 m 1,15 kg/m 3
93,25 m/s
Mit der Geschwindigkeit rechnet man jetzt die Reynolds- und Rohrreibungszahl.
cd
Re
Q
93,25 0,003 17'933 15,6 10 6
Re k / d
598
Damit kann die Rohrreibungszahl nach Gl. (6.37) ermittelt werden.
O
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» « 2 log¨¨ d ¹¼» © Re O ¬«
2
0,061
Bis die gewünschte Genauigkeit erreicht ist, werden Geschwindigkeit, Reynoldszahl und Rohrreibungszahl neu berechnet.
O
0,061
O
2 'p v d O l U
c
0,062
c
2 'pv d O l U
2 5'000 0,003 0,061 0,15 1,15
53,30 m/s
2 5'000 Pa 0,003 m 0,062 0,15 m 1,15 kg/m 3
Re 10'250
52,81 m/s
Ohne das eine aufgebohrte Loch ist der Massenstrom:
m
n c U d 2 S / 4 100 52,96 1,15 0,0032 S / 4 0,0429 kg/s
130
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Der Massenstrom in dem aufgebohrten 10 mm-Loch berechnet sich wie zuvor für das 3 mm-Loch. Mit einer angenommenen Rohrreibungszahl von 0,05 ist die Geschwindigkeit im Loch:
O
0,05
c
2 'p v d O l U
107,68 m/s
Re
69'023
O
0,039
c
2 'p v d O l U
122,38 m/s
Re
78'448
Der Massenstrom in dem 10 mm-Loch beträgt: m 10 mm
c U d 2 S / 4 121,92 1,15 0,012 S / 4
0,0110 kg/s
Der Gesamtmassenstrom berechnet sich als: m ges
0,99 m m 10 mm
0,05358 kg/s
Diskussion Bei vorgegebener Druckdifferenz hat der Durchmesser einen sehr starken Einfluss auf den Massenstrom. In diesem Beispiel wird durch die Vergrößerung des Durchmessers von 3 auf 10 mm die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr verdoppelt. Der Massenstrom im 10 mm-Loch ist 25 mal größer als in einem 3 mm-Loch, d. h., in dem 10 mm-Loch strömt so viel Luft wie in fünfundzwanzig 3 mm-Löchern. BEISPIEL 6.8: Auslegung des Massenstromes und Leitungsdurchmessers Eine 4 km lange Kunststoffleitung für Milch mit einer Höhendifferenz von 400 m, die von einer Alm zum Tal führt, hat einen Innendurchmesser von 15 mm. Die Rauigkeitshöhe ist 5 µm. Die Milch hat die Dichte von 1'050 kg/m3, die kinematische Viskosität beträgt 10-5 m2/s. a) Bestimmen Sie die Masse der pro Stunde geförderten Milch. b) Bestimmen Sie den Durchmesser einer Leitung für den vierfachen Förderstrom. Lösung Schema
Siehe Skizze 400 m
Annahmen • • •
Die Dichte und Viskosität der Milch sind konstant. Die Milch ist inkompressibel. Die Geschwindigkeitsänderung bei der Einströmung wird vernachlässigt.
131
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Analyse a) Der Massenstrom wird mit Gl. (6.27) berechnet, wofür allerdings eine Rohrreibungszahl angenommen werden muss. Damit wird die Geschwindigkeit im Rohr bestimmt, dann die Rohrreibungszahl neu berechnet. Der Massenstrom kann anschließend mit der Geschwindigkeit bestimmt werden. 0,02
O
Re
2 'p v d O l U
c cd
2 g 'z d O l
1,213 m/s
1,213 0,015
1 '819 O 64 / Re 0,0352 Q 10 5 Da die Strömung laminar ist, berechnet sich die Geschwindigkeit direkt mit Gl. (6.24).
g 'z d 2 9,81 m/s 2 400 m 0,0152 m 2 32 l Q 32 4'000 m 10 5 m 2 /s Der Massenstrom der Milch ist: c
m
0,689 m/s
U A c 1'050 kg/m 3 0,25 ʌ 0,0152 m 2 0,689 m/s 0,1279 kg/s
b) Der Durchmesser wird mit dem Massenstrom von 0,5114 kg/s mit Gl. (6.27) bestimmt. Hier nimmt man zunächst wieder eine Rohrreibungszahl an.
O
c
0,05
0,991 m/s
d
Re
O
cd
5
O l 8 m 2 U 2 S 2 g 'z
0,991 0,025 2'477 10 5 0,3164 / Re 0,25 0,0448
Q
25,0 mm
Re k / d
0,5
Die weitere Iteration ergibt einen Durchmesser von 24,5 mm. Damit ein Standardrohr verwendet werden kann, wählt man einen Durchmesser von 25 mm. Die Milchförderung wird etwas mehr als vervierfacht. Diskussion Will man aus dem Reibungsdruckverlust den Massenstrom oder Durchmesser berechnen, ist die Rohrreibungszahl unbekannt und muss angenommen werden. Nachdem der Massenstrom bzw. Durchmesser ermittelt ist, werden die Reynoldsund damit die Rohrreibungszahl berechnet.
132
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
6.4.3
Reibungsdruckverlust im Rohr nicht kreisförmigen Querschnitts
6.4.3.1
Druckverlust der turbulenten Strömung
Der Reibungsdruckverlust in Rohren nicht kreisförmigen Querschnitts kann ebenfalls nach Gl. (6.27) bestimmt werden, wenn an Stelle des Durchmessers der hydraulische Durchmesser dh eingesetzt wird. Die Reynoldszahl und die relative Rauigkeitserhebung k/dh werden mit dem hydraulischen Durchmesser ermittelt.
'p v
O
l c2 U 2 dh
(6.37)
Der Druckverlust lässt sich mit folgenden Überlegungen bestimmen: Die Schubspannung, die auf die Wände des nicht kreisförmigen Kanals wirkt, ist im Gleichgewicht mit den durch Reibungsdruckverlust verursachten Kräften. U A Denkt man sich ein Ersatzrohr mit einem hydraulischen Durchmesser dh, gilt:
W U l
W S dh l
A 'p v
S 4
'pv
d h2 'pv
W l
'p v
W l
4 dh
(6.38)
Damit erhalten wir: dh
4 A U
(6.39)
Der hydraulische Durchmesser ist das Vierfache der Querschnittsfläche, geteilt durch den Umfang des Strömungskanals. Die Rohrreibungszahl wird mit den Gln. (6.34) bis (6.36) ermittelt, der Reibungsdruckverlust nach Gl. (6.37) bestimmt. Für ein kreisförmiges Rohr ist der hydraulische Durchmesser gleich dem Innendurchmesser. Für eine Ellipse oder einen Rechteckquerschnitt gilt: dh
4 A U
4 a b 2 ( a b)
2 a b ab
(6.40)
wobei a die Breite und b die Höhe des Querschnitts ist. Ist b gegenüber a sehr klein, wird der hydraulische Durchmesser dh = 2 . b.
133
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
BEISPIEL 6.9: Änderung des Strömungsquerschnitts eines nicht kreisförmigen Kanals Die Leitung einer Kanalisation mit einem quadratischen Querschnitt von 1,2 m Kantenlänge muss ersetzt werden. Damit will man erreichen, dass sie besser begehbar wird. Die neue Leitung soll daher einen elliptischen Querschnitt mit 1,7 m Höhe haben. Der maximale Volumenstrom von 1,1 m3/s muss erhalten bleiben. Die Rauigkeit in der alten Leitung war 2 mm, in der neuen wird sie 1 mm sein. Die kinematische Viskosität des Wassers ist 0,85 . 10-6 m2/s und die Dichte 1'000 kg/m3. Berechnen Sie die Breite der neuen Leitung. Lösung
h = 1,7 m
Siehe Skizze
1,2 m
Schema
b=?
1,2 m
Annahmen • •
Die Dichte und Viskosität des Wassers sind konstant. Der Volumenstrom in der Leitung wird nur durch den Reibungsdruckverlust bestimmt.
Analyse Damit der Volumenstrom erhalten bleibt, muss der Reibungsdruckverlust pro Meter Länge im neuen Kanal gleich groß wie im alten sein. Zunächst wird der Druckverlust im alten Kanal berechnet. Dazu müssen der hydraulische Durchmesser und die Geschwindigkeit in der Leitung bestimmt werden. Der hydraulische Durchmesser ist mit Gl. (6.40) zu berechnen.
dh
4 A U
4 a2 4a
a 1,2 m
Die Reynoldszahl bestimmt man mit dem hydraulischen Durchmesser und der Geschwindigkeit. c V / A V / a 2
Re
c dh
Q
0,764 1,2 0,85 10 6
0,764 m/s
1'078'431 Re k / d h
1'797
Die Rohrreibungszahl ist nach Gl. (6.34):
O
>2 log(3,715 d h / k )@2 >2 log(3,715 1,2 / 0,002)@2
0,0223
134
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Der pro Meter Länge entstehende Reibungsdruckverlust beträgt:
O c2 U
'p v l
dh
0,0223 0,764 2 m 2 /s 2 1'000 kg/m 3 1,2 m 2
2
5,421
Pa m
Für den hydraulischen Durchmesser der neuen Leitung erhält man: dh
4 A U
S h b S / 2 ( h b)
2h b hb
In Gl. (6.27) können an Stelle der Kreisfläche die Fläche der Ellipse und statt des Durchmessers der hydraulische Durchmesser eingesetzt werden. Damit bekommt man zwischen der Breite b der Ellipse und dem Volumenstrom folgenden Zusammenhang:
'p v
O
l
dh
V 2 U 2 S 2 h2 b2
O ( h b) 2 h b
16 V 2 U 2 S 2 h2 b2
O ( h b)
4 V 2 U S 2 h3 b3
Wieder muss hier zunächst eine Rohrreibungszahl angenommen und damit die Breite b berechnet werden. Dann bestimmt man neu den hydraulischen Durchmesser, die Reynolds- und Rohrreibungszahl. Durch Iteration erhält man folgende Werte:
b
Re 1'234'000 Re k / d 999 O 0,0186 0,971 m d h 1,236 m c 0,849 m/s
Diskussion Bei nicht kreisförmigen Strömungsquerschnitten ist zu berücksichtigen, dass die Querschnittsfläche, die zur Berechnung der Geschwindigkeit notwendig ist, aus der Geometrie der Leitung und nicht mit dem hydraulischen Durchmesser berechnet wird. Die Bestimmung der Reynoldszahl und der relativen Rauigkeit erfolgt mit dem hydraulischen Durchmesser. BEISPIEL 6.10: Druckverlust in einem parallel durchströmten Rohrbündel Im Mantelraum eines Wärmeübertragers strömt parallel zu den Rohren Öl. Der Apparat hat 37 Rohre mit je 40 mm Außendurchmesser, der Innendurchmesser des Mantels ist 360 mm. Die Geschwindigkeit des Öls beträgt 1 m/s. Die kinematische Viskosität des Öls ist 5 . 10-6 m2/s, seine Dichte 800 kg/m3. Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust pro Meter Länge.
135
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Lösung
40 mm
Schema
Siehe Skizze
• •
360 mm
Annahmen Dichte und Viskosität des Öls sind konstant. Der Volumenstrom in der Leitung wird lediglich durch den Reibungsdruckverlust bestimmt.
Analyse Zur Bestimmung des Reibungsdruckverlustes muss der hydraulische Durchmesser berechnet werden. dh
4 A U
S (D 2 n d 2 ) S (D n d )
0,36 2 37 0,04 2 m 0,36 37 0,04
0,0383 m
Die Reynoldszahl ist: Re
c dh Ȟ
1 0,383 5 10 6
7'652
Die Rohrreibungszahl bestimmt man mit Gl. (6.34):
O
0,3164 / Re 0, 25
0,0338
Der Reibungsdruckverlust pro Meter Länge ergibt sich damit zu:
'p v l
O c2 U dh
2
0,0338 12 m 2 /s 2 800 kg/m 3 0,0383 m 2
353,7
Pa m
Diskussion Mit dem hydraulischen Durchmesser kann der Reibungsdruckverlust in turbulenten Strömungen einfach berechnet werden. 6.4.3.2
Druckverlust bei laminarer Strömung
Die Bestimmung der Rohrreibungszahl laminarer Strömung ist sehr stark von der Geometrie des Kanals abhängig. Sie kann nur für einige einfache Geometrien hergeleitet werden. Ihre Berechnung wird am Beispiel einer laminaren Strömung zwischen zwei unendlich breiten Platten mit dem Abstand h demonstriert (Bild 6.8). Die Mitte des Kanals legt man auf die x-Achse und betrachtet einen Fluidquader,
136
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
der symmetrisch zur x-Achse angeordnet ist. Der Quader hat die Höhe 2y, die Länge l und Breite b, die gegen unendlich geht. y h/2
W
p1
p2
x 0
y l
c(y)
W
1
2
Bild 6.8: Zur Herleitung der laminaren Spaltströmung in einem ebenen Spalt
Die Kräfte, die auf den Fluidquader wirken, werden durch die Wandschubspannung und den Druckunterschied verursacht. Bei stationärer Strömung sind diese Kräfte im Gleichgewicht.
W 2l b
(6.41)
'pv b 2 y
Die Schubspannung ist durch den Newton'schen Schubspannungsansatz gegeben.
W
K
dc dy
(6.42)
Gleichung (6.42) in Gl. (6.41) eingesetzt, ergibt nach Separation der Variablen folgende Differentialgleichung: dc
'p v y dy K l
(6.43)
Für die Geschwindigkeitsverteilung erhält man unter Berücksichtigung der Randbedingungen, die verlangen, dass an den Orten y = h/2 und y = – h/2 die Geschwindigkeit gleich null ist, folgende Gleichung: c( y )
'p v h2 ( y2 ) 2 K l 4
cmax
'p v h2 8 K l
(6.44)
Wie in der Rohrströmung ist das Geschwindigkeitsprofil parabelförmig. Durch Integration wird die mittlere Geschwindigkeit ermittelt. h/2
c
'pv 1 'pv h2 ( y 2 ) dy h2 2 K l h h / 2 4 12 K l
³
2 cmax 3
Gleichung (6.45) nach dem Reibungsdruckverlust aufgelöst, ergibt:
(6.45)
137
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
'p v
12 K l c h2
(6.46)
Der hydraulische Durchmesser dh ist, da b gegen unendlich geht, 2 h. Setzt man an Stelle von h den hydraulischen Durchmesser dh ein, erhält man nach Umformung: 96 l c 2 U Re d h 2
48 K l c d h2
'p v
(6.47)
Für den ebenen Spalt ist die Rohrreibungszahl 96/Re. Damit entspricht sie nicht mehr derjenigen in der laminaren Rohrströmung. Die Rohrreibungszahl hängt im Spalt von der Geometrie des Kanals ab. Sie kann für einfache Geometrien analytisch hergeleitet werden. Die Abweichung der Rohrreibungszahl wird durch einen Korrekturfaktor ϕ gegeben. Die Reynoldszahl bestimmt man mit dem hydraulischen Rohrdurchmesser. Damit ist die Rohrreibungszahl bei laminarer Strömung:
O M
64 Re
(6.48)
Für den ebenen unendlichen Spalt mit der Höhe h ist ϕ = 1,5. In Tabelle 6.3 ist ϕ für Kanäle rechteckigen Querschnitts gegeben. Tabelle 6.3: Korrekturfaktor ϕ für Rechteck-Kanäle
h/b 0 ϕ 1,50
0,1 1,34
0,2 1,20
0,3 1,10
0,4 1,02
0,5 0,97
0,6 0,94
0,7 0,92
0,8 0,90
0,9 0,89
1,0 0,88
In Bild 6.9 ist der Korrekturfaktor ϕ für Ringspalte (Lager von Maschinen) dargestellt. 1,5
e R-r=0
Korrekturfaktor M
1,4 1,3
0,2
1,2
0,4
1,1
0,6
1,0 0,8 0,9
r
1,0
R
0,8 0,7 0,6 1
e 2
5
10 R/r
20
50
100
Bild 6.9: Korrekturfaktor für den Druckverlust in Ringspalten bei laminarer Strömung [6.3]
138
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Strebt in einem Ringspalt das Verhältnis R/r gegen unendlich, erreicht der Korrekturfaktor ϕ nicht den Wert 1. Der hydraulische Durchmesser geht zwar gegen da, der Druckverlust wird aber größer als in einem Rohr. Dies bedeutet, dass das Einbauen eines sehr dünnen Drahtes die Strömungsprofile wesentlich verändert und dadurch der Reibungsdruckverlust sehr stark beeinflusst wird. Dagegen ist bei turbulenter Strömung der Einfluss beinahe vernachlässigbar. BEISPIEL 6.11: Schmierölmassenstrom in einem Kurbelwellenlager Das Lager einer Kurbelwelle hat einen 0,4 mm größeren Durchmesser als die Welle mit 30 mm. Das Lager wird durch Öl, das in der Mitte durch den Öldruck von 4 bar eingepresst wird, geschmiert. Im Kurbelgehäuse herrscht ein Druck von 1 bar. Das Lager ist auf beiden Seiten 20 mm lang. Ohne Last liegt die Welle konzentrisch im Lager. Bei Belastung entsteht eine Exzentrizität von 0,05 mm. Die Dichte des Öls ist 820 kg/m3, die kinematische Viskosität 1,2 . 10-4 m2/s. Berechnen Sie den Massenstrom des Öls mit und ohne Last. 20 mm
Lösung Schema
Siehe Skizze
30,4 mm
30 mm
Annahmen • • • •
Dichte und Viskosität des Öls sind konstant. Das Öl ist inkompressibel. Die Geschwindigkeiten, die durch Drehung der Welle entstehen, werden vernachlässigt. Die Ein- und Ausströmeffekte werden vernachlässigt.
Analyse Der Reibungsdruckverlust über der Länge des Lagers ist Öldruck minus Druck im Kurbelgehäuse, also gleich 3 bar. Der hydraulische Durchmesser ist für beide Fälle: dh
4 A U
S (d a2 d i2 ) S (d a d i )
d a di
0,4 mm
Die Exzentrizität e /(ra - ri) ist für den Fall ohne Last gleich 0 und mit Last gleich 0,25. Der Korrekturfaktor ϕ ist nach dem Diagramm in Bild 6.9 ohne Belastung 1,5 und mit Last 1,38. Mit den Gln. (6.27) und (6.48) erhalten wir für die Geschwindigkeit:
139
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
'pv c
'pv d h2 32 M Q l U
32 M Q l c U d h2
3 10 5 Pa 0,4 2 10 6 m 2 32 M 1,2 10 4 m 2 /s 0,02 m 820 kg/m 3
0,762 m/s
M
Um zu sehen, ob die Strömung laminar ist, muss die Reynoldszahl berechnet werden. Re
c dh
0,762 0,0004 M 1,2 10 4
Q
1,69 (1,84)
Der Wert in der Klammer gilt für die belastete Welle. Die Strömung ist immer laminar. Der Massenstrom berechnet sich als: m
c U A c U
S 4
(d a2 d i2 )
7,906 g/s (8,594 g/s)
Der Wert in der Klammer steht wie oben für die belastete Welle. Diskussion Der Massenstrom wird in einem Ringspalt bei konstanter Druckdifferenz durch die Exzentrizität beeinflusst. Gemäß des Diagramms in Bild 6.9 kann die Änderung in einem engen Ringspalt (ra/ri ≈ 1) bis zu einem Faktor von 2,5 betragen. BEISPIEL 6.12: Vergleich der laminaren und turbulenten Druckverluste in einem Ringspalt In die Mitte eines Rohrs von 25 mm Innendurchmesser wird ein konzentrisches Rohr mit 5 mm Außendurchmesser eingebaut. Berechnen Sie die relative Änderung des Reibungsdruckverlustes durch den Einbau des Innenrohrs für die laminare und turbulente Strömung. Es soll dabei angenommen werden, dass jeweils die mittlere Strömungsgeschwindigkeit beibehalten wird. Bei der turbulenten Strömung gibt man die Rohrreibungszahl nach der Beziehung von Blasius Gl. (6.34) an. Lösung Annahmen • •
Dichte und Viskosität des strömenden Fluids sind konstant. Das Fluid ist inkompressibel.
140
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Analyse Vor dem Einbau des Innenrohrs ist der Reibungsdruckverlust im Rohr:
'pv , lam
64 l c 2 U Red a d a 2
'pv , turb
0,3164 l c 2 U da 2 Red0,25 a
Der Index der Reynoldszahl zeigt, dass sie mit dem Durchmesser des Außenrohrs gebildet wird. Durch den Einbau des Innenrohrs wird der hydraulische Durchmesser verändert. Für den Druckverlust gilt dann:
'p
v , lam Ringspalt
M 64 l Red h
da
c2 U 2
'p
0,3164 l c 2 U dh 2 Red0,25 h
v , turb Ringspalt
Die relative Änderung des Reibungsdruckverlustes ist:
'pv Ringspalt 'p v Nach dem Einbau des Innenrohrs ist der hydraulische Durchmesser dh = da – di = 20 mm und der Korrekturfaktor für die laminare Strömung aus Bild 6.9 gleich 1,45. Die relative Änderung des laminaren Druckverlustes beträgt:
'p
v , lam Ringspalt
'pv , lam
M Red a d a Red h
dh
§d · M ¨¨ a ¸¸ © dh ¹
2
§ da M ¨¨ © da di
· ¸ ¸ ¹
2
1,45 1,252
2,266
Für die turbulente Strömung erhalten wir:
'p
v , turb Ringspalt
'pv , turb
Red0a, 25 d a dh Red0,25 h
§ da ¨ ¨d © h
1, 25
· ¸ ¸ ¹
§ da ¨ ¨d d i © a
1, 25
· ¸ ¸ ¹
1,251, 25
1,322
Diskussion Durch den Einbau des konzentrischen Innenrohrs wird der Reibungsdruckverlust bei laminarer Strömung mehr als verdoppelt. Bei turbulenter Strömung beträgt der Anstieg nur etwa 32 %. Dies ist durch die starke Veränderung des Geschwindigkeitsprofils bei der laminaren Strömung zu erklären.
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
6.5
141
Navier-Stokes-Gleichungen
Die Navier-Stokes-Gleichungen werden aus dem Impulssatz nach dem zweiten Newton'schen Gesetz hergeleitet. Für das infinitesimale Volumen dV = dx . dy . dz mit der Masse dm gilt: & dF
dm
& dc dt
(6.49)
Mit der vektoriellen Ableitung der Geschwindigkeit c(x, y, z, t) nach der Zeit t erhält man:
& dF
& & & & § wx wc wy wc wz wc wc · dm ¨¨ ¸¸ © wt wx wt wy wt wz wt ¹ & & & & § wc wc wc wc · dm ¨¨ c x c y c z ¸¸ wx wy wz wt ¹ ©
(6.50)
Um die Kraft F und ihre Komponenten zu bekommen, müssen die Kräfte, die auf den Kontrollraum wirken, bestimmt werden. Es sind die Oberflächenkräfte FO und Körperkräfte FK. Bild 6.10 zeigt die Oberflächenkräfte, die in x-Richtung auf das Fluidelement wirken. y
W xy
wW xy dz wz 2
V xx
wV xx dx wx 2
W xz
wW xz dy wy 2
V xx
x z
W xy
wW xy dz wz 2
W xz
wW xz dy wy 2
Bild 6.10: Kräfte in x-Richtung auf das Fluidelement
wV xx dx wx 2
142
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
Die Oberflächenkräfte, die auf den Körper wirken, werden durch die Schubspannungen τxy und τxz und die Normalspannungen σxx erzeugt. Für die Oberflächenkraft in x-Richtung, die im Zentrum des Fluidelements wirkt, erhält man: § wW wW dy dy · ¨¨W xz xz W xz xz ¸¸ dx dz wy 2 wy 2 ¹ © wW xy dz wW xy dx · § ¨¨W xy W xy ¸ dx dy wz 2 wz 2 ¸¹ ©
FOx
§ wV xx dx wV xx dx · ¨¨ V xx V xx ¸ dy dz wx 2 wy 2 ¸¹ ©
Ausgerechnet bekommt man: FOx
§ wW xz wW xy wV xx ¨ ¨ wy wz wx ©
· ¸ dx dy dz ¸ ¹
(6.51)
Die Körperkräfte werden durch Gravitation verursacht und sind:
dFKx
U g x dV
U g x dx dy dz
(6.52)
Die Schubspannungskräfte können nach dem Newton'schen Schubspannungsansatz bestimmt werden.
W yx
W xy
W zx
W xz
wc y · ¸ dx ¸¹ © dy wc · § wc P ¨ x z ¸ dx ¹ © dz § wc x
P ¨¨
(6.53)
Für ein inkompressibles Fluid konstanter Viskosität werden die Normalspannungen nur durch die Druckgradienten verursacht. wV xx wx
FOx
dp wx
§ wW xz wW xy wV xx ¨ ¨ wy wz wx ©
(6.54) · ¸ dx dy dz ¸ ¹
(6.55)
Berücksichtigt man, dass die Masse dm = r . dV = r . dx . dy . dz ist, erhält man aus den einzelnen Komponenten der Kraft mit den Gln. (6.51) bis (6.55):
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
©
§ w 2c w 2c w 2c · wcx wc wc wc · wp cy x cz x x ¸¸ U g x K ¨¨ 2x 2x 2x ¸¸ wx wx wy wz wt ¹ wz ¹ wy © wx
§
wc y
©
wx
§
U ¨¨ cx U ¨¨ cx
cy
wcy wy
cz
wcy wz
§ w 2c w 2c w 2c · wcy · wp ¸ U g y K ¨ 2y 2y 2y ¸ ¨ wx wt ¸¹ wy wy wz ¸¹ ©
143
(6.56)
§ w 2c w 2c w 2 c · § wc wc wc wc · wp U ¨¨ cx z cy z cz z z ¸¸ U g z K ¨¨ 2z 2z 2z ¸¸ wx wy wz wt ¹ wz wy wz ¹ © © wx
Diese Gleichungen sind Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Fluide konstanter Viskosität. Die Herleitung der allgemein gültigen Gleichungen, die auch für kompressible Fluide und Fluide veränderlicher Viskosität gelten, kann z. B. bei Schlichting [6.2] eingesehen werden. Dort findet man auch die Gleichungen für zylindrische Koordinaten. Auf die Anwendung der Navier-Stokes-Gleichungen wird in Kapitel 11 bei nummerischen Strömungsrechnungen eingegangen. Bei stationären Strömungen ist die Ableitung nach der Zeit auf der linken Seite der Gleichungen gleich null. Die anderen Terme auf der linken Seite berücksichtigen die lokale Änderung der Geschwindigkeit und entsprechen daher der Änderung der kinetischen Energie. Bei der in Absatz 6.4.3.2 behandelten laminaren Spaltströmung haben wir nur Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung, die sich in Strömungsrichtung nicht verändern; die Schwerkraft spielt keine Rolle. Für diesen Fall vereinfacht sich Gl. (6.56) zu: wp wx
K
w 2cx wy 2
(6.57)
Der Druckverlust kann durch den konstanten Druckgradienten ∆p/∆x ersetzt werden. Die Lösung der Differentialgleichung ist: cx
'p 1 y 2 C 'x K 2
(6.58)
Wenn die entsprechenden Randbedingungen eingesetzt werden, stimmt diese Lösung mit der in Gl. (6.44) überein. Bei den reibungsfreien, inkompressiblen idealen Fluiden ist die Viskosität gleich null. Betrachtet man eine eindimensionale Strömung, die nur Geschwindigkeiten in z-Richtung hat, vereinfacht sich Gl. (6.56) zu:
U c dc g U dz
dp
(6.59)
Hier wurde die z-Richtung gewählt, weil nach unseren bisherigen Betrachtungen z die geodätische Höhe ist. Bei der Umformung berücksichtigte man, dass bisher z in Richtung des Erdmittelpunktes gerichtet war. Gl. (6.59) kann integriert werden,
144
6 Reibungsdruckverlust inkompressibler Fluide in Rohren
p1 p 2
U
c22 c12 g U ( z 2 z1 ) 2
(6.60)
Gleichung (6.60) ist die Bernoulli-Gleichung. Solch einfache Lösungen sind nur für die eindimensionale Strömung idealer Fluide oder für die inkompressible, stationäre laminare Strömung in einfachen Geometrien möglich. Schon bei der inkompressiblen turbulenten Strömung in Leitungen einfacher Geometrie ist eine analytische Lösung unmöglich.
7
Druckverlust in Rohrleitungselementen
Reibungsdruckverluste in Rohrleitungssystemen können mit den Grundlagen aus Kapitel 6 nicht berechnet werden, weil außer geraden Rohren viele Rohrleitungselemente wie Rohrbögen, Ventile, Siebe etc. vorhanden sind. Hier werden die Widerstandszahlen der gebräuchlichsten Komponenten angegeben und die Anwendung an Beispielen demonstriert. Quellen werden aufgezeigt, in denen Widerstandszahlen gesammelt sind.
7.1
Allgemeines
Rohrleitungen bestehen nicht nur aus geraden Rohren konstanten Querschnitts. Sie enthalten auch Elemente, in denen sich Strömungsrichtung, Rohrquerschnitt und der Massenstrom ändern können. Solche Rohrleitungselemente sind Krümmer (miter bends), Bogen (pipe bends, ellbows), Rohrein- und -ausläufe (pipe inlets and exits), Verzweigungen, Ventile (valves), Übergangsstücke mit plötzlichen bzw. stetigen Querschnittsveränderungen (sudden and gradual contractions or enlargements), Schieber (gate valves), Blenden (orifices), Düsen (nozzles), Rückschlagklappen (non-return valves, check valves), Rohrverzweigungen (pipe intersections) usw. In den Rohrleitungselementen treten Reibungsdruckverluste auf, die wesentlich größer sein können als die in geradem Rohrabschnitt. Nur in wenigen Fällen ist es möglich, die Reibungsverluste in solchen Elementen theoretisch zu bestimmen. Der Reibungsdruckverlust hängt von der Geometrie und Reynoldszahl ab. Für die Bestimmung des Druckverlustes der meisten Rohrleitungselemente ist man auf Messungen angewiesen. Der Reibungsdruckverlust wird mit einer Widerstandszahl ζ folgendermaßen angegeben:
'p v
]
c2 U 2
(7.1)
Man muss unbedingt berücksichtigen, auf welchen Rohrquerschnitt und damit auf welche mittlere Geschwindigkeit die Widerstandszahl bezogen ist. Weiterhin ist zu beachten, dass zur Bestimmung der Änderung des Gesamtdruckes die Druckänderungen, die durch Geschwindigkeits- oder Höhenänderungen hervorgerufen werden, zu berücksichtigen sind. Gl. (7.1) gibt nur die durch Reibung verursachten Druckänderungen an. Die in den folgenden Kapiteln angegebenen Widerstandszahlen gelten nur für turbulente Strömungen.
146
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
7.2
Widerstandszahlen gängiger Rohrleitungselemente
7.2.1
Rohreinläufe
Bei Rohreinläufen strömt das Fluid aus einem größeren Raum in ein Rohr. Dabei löst sich die Strömung je nach Geometrie des Einlaufs von der Rohrwand und bildet Wirbel. Diese bedeuten einerseits Reibungsverluste, andererseits verkleinert sich der wirksame Strömungsquerschnitt. Im Wirbel wird keine Masse in die Hauptströmungsrichtung transferiert. Dadurch ist die Querschnittsfläche für den Massenstrom nicht die Fläche A, sondern die verminderte Fläche A0 (Bild 7.1). Die Geschwindigkeitsänderung kann nicht vollständig in eine Druckänderung zurückgewandelt werden. Wirbel
A
A0
Bild 7.1: Strömungsverlauf in einem Rohreintritt
c
c
scharfkantig gebrochen
] = 0,5 ] = 0,25
scharfkantig gebrochen
] = 3,0 ] = 0,6 bis 1,0 c
c
] = 0,1 bis 0,005 radiusunabhängig
scharfkantig gebrochen
] = 0,5 + 0,3cos G + 0,2cos G 2 2 ] = 0,25 + 0,3cos G + 0,2cos G
Bild 7.2: Widerstandszahlen einiger Rohreinläufe
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
147
Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes nach Gl. (7.1) wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Rohr verwendet. Die Widerstandszahl hängt stark von der Geometrie des Einlaufs und relativ schwach von der Reynoldszahl ab. In Bild 7.2 sind die geometrieabhängigen Widerstandszahlen für einige typische Rohreinläufe angegeben. Für genauere Berechnungen muss die entsprechende Literatur (z. B. VDI-Wärmeatlas [7.1], Idlechick: Handbook of hydraulic resistances [7.2]) verwendet werden. 7.2.2
Plötzliche Querschnittserweiterung
können Rohrausläufe oder eine plötzliche Erweiterung des Rohrdurchmessers sein. Bild 7.3 zeigt eine Querschnittserweiterung. Die Widerstandszahl lässt sich hier als seltene Ausnahme analytisch herleiten. Am Rohraustritt ist für die Druckkraft der Strömungsquerschnitt gleich A2. Die Geschwindigkeit am Austritt des Rohrs mit dem kleineren Durchmesser ist größer als in einiger Entfernung im größeren Rohrquerschnitt. Der Impulssatz wird auf den eingezeichneten Kontrollraum angewendet. Dabei ist zu beachten, dass der Druck an den Stellen 1 und 2 jeweils auf die gleich großen Flächen mit dem Querschnitt A2 wirkt. Kontrollraum A2 c2
c1
A1
Ablösegebiet 1
2
Bild 7.3: Plötzliche Querschnittserweiterung
p1 A2 m c1
p2 A2 m c2
(7.2)
Der Massenstrom ist an den Stellen 1 und 2 gleich groß und kann daher an Stelle 2 angegeben werden. m
U A2 c2
(7.3)
Setzt man Gl. (7.3) in Gl. (7.2) ein, erhält man für die Druckänderung: p2 p1
U c2 (c1 c2 )
(7.4)
Sie kann aus der Energiebilanzgleichung (Gl. 6.15) bestimmt werden: p2 p1 'pv
U 2
(c12 c22 )
(7.5)
148
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Aus Gl. (7.4) kann p2 – p1 in Gl. (7.5) eingesetzt werden, man erhält für den Reibungsdruckverlust:
'p v
U 2
(c12 c22 ) U c2 (c1 c2 )
U 2
(c1 c2 ) 2
(7.6)
Bezieht man den Reibungsdruckverlust auf die Geschwindigkeit c1, erhält man:
'p v
U 2
c12 (1
c2 2 ) c1
U 2
c12 (1
A1 2 ) A2
(7.7)
Die Widerstandszahl ist nach Gl. (7.1) somit:
]1
(1
A1 2 ) A2
(7.8)
Hier ist die mittlere Geschwindigkeit die Geschwindigkeit im Querschnitt A1. Die Widerstandszahl kann auch auf die Geschwindigkeit im Querschnitt A2 bezogen werden. Sie ist dann:
]2
(
A2 1) 2 A1
(7.9)
Ist der Strömungsquerschnitt A2 sehr viel größer als A1, wird die Widerstandszahl ζ1 gleich 1. Die Widerstandszahl ζ2 geht gegen unendlich, aber gleichzeitig strebt die Geschwindigkeit c2 auch gegen null. Beim Ausströmen aus einem Rohr in einen grossen Behälter (z. B. Umgebung) wird der dynamische Druck vollständig in Reibungsdruckverlust umgewandelt, d. h., der Druck am Rohraustritt ist gleich groß wie der Druck im Behälter. 7.2.3
Plötzliche Querschnittsverengung
Die Widerstandszahl einer plötzlichen Querschnittsverengung kann wie bei plötzlicher Erweiterung aus dem Impulssatz und der Energiegleichung hergeleitet werden. Die so ermittelte Widerstandszahl stimmt aber nicht mit den Messergebnissen überein. Bei plötzlicher Verengung wird am Eintritt in den kleineren Querschnitt die Strömung wie im Rohreinlauf eingeschnürt (Bild 7.4). Kurz nach dem Eintritt steht für die Strömung nur die Querschnittsfläche A0 und nicht A2 zur Verfügung. An der Kante des Eintritts löst sich die Strömung ab, Wirbel bilden sich, man spricht von einer Strahlkontraktion.
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
c1
A1
c2
A0
149
A2
Ablösegebiet
Bild 7.4: Plötzliche Querschnittsverengung
Die Widerstandszahl für scharfkantige und plötzliche Rohrverengungen hängt von der Reynoldszahl und vom Querschnittsverhältnis ab (Bild 7.5). Es ist darauf zu achten, dass die Widerstandszahlen auf die Geschwindigkeit im Querschnitt A2 bezogen sind. Wie bei Rohreinläufen ist sie sehr stark von der Geometrie abhängig. Gebrochene oder abgerundete Kanten, vorstehende Rohre und Schweißnähte verändern die Widerstandszahlen sehr stark und können wie bei Rohreinläufen in Spezialliteratur gefunden werden. 1,2
1,0
Widerstandszahl ] 2
laminar 0,8
0,6 Re = 2'300 0,4 10 oo
0,2
0
0,2
0,4
0,6 A2 / A 1
0,8
1,0
Bild 7.5: Widerstandszahlen plötzlicher, scharfkantiger Rohrverengungen
150
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
7.2.4
Allmähliche Querschnittserweiterung (Diffusor)
Ein Diffusor ist ein sich in Strömungsrichtung stetig erweiternder Strömungskanal. Bild 7.6 zeigt einen Diffusor mit dem konstanten Öffnungswinkel δ.
c1
d1
G
c2
d2
l
Bild 7.6: Allmähliche Querschnittserweiterung (Diffusor)
Der Diffusor ist eine allmähliche Querschnitterweiterung, in der die Geschwindigkeit in Strömungsrichtung abnimmt. Nach der Energiebilanzgleichung steigt der Druck an. Mit Diffusoren kann ein Teil der kinetischen Energie in Druck umgewandelt werden. Dieser Effekt wird in Strahlpumpen, Kreiselpumpen und Kreiselverdichtern technisch genutzt. Durch Reibung ist der Druckanstieg kleiner als nach der Bernoulli-Gleichung. In einem Diffusor mit gegebenem Öffnungswinkel nimmt mit zunehmender Länge der Reibungsdruckverlust zu. Ist das Öffnungsverhältnis fest, nimmt mit abnehmender Länge der Öffnungswinkel zu, durch Ablösungen wird der Reibungsdruckverlust drastisch vergrößert. Deshalb versucht man, Diffusoren so kurz wie möglich zu gestalten, ohne dabei eine Ablösung der Strömung zu verursachen. Der günstigste Öffnungswinkel, bei dem die beste Energieumwandlung erreicht werden kann, liegt bei etwa 8°.
Ablösewinkel in Grad
10 9 8 7 6 5
4
6
8 10
5
2 4 Reynolds zahl Re 1
6
8 10
6
2
Bild 7.7: Grenzwinkel von Diffusoren kreisförmigen Querschnitts
151
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
In Bild 7.7 ist der Winkel, bei dem sich die Strömung nicht ablöst, als eine Funktion der Reynoldszahl dargestellt. Ist der Öffnungswinkel größer als der Grenzwert, kommt es zu einer Strömungsablösung. Bild 7.8 zeigt die Widerstandszahlen von Diffusoren, in denen es zu keiner Strömungsablösung kommt. Man sieht, dass sich die Widerstandszahl mit zunehmendem Durchmesserverhältnis und der damit ansteigenden Länge des Diffusors erhöht. Für Diffusoren, bei denen sich die Strömung ablöst, sind die Widerstandszahlen in Bild 7.9 dargestellt. Die im Diagramm in Bild 7.9 angegebene Reibungszahl ζ' muss noch mit dem Flächenverhältnis korrigiert werden: 5
G = 24° d 2 /d 1 = 1,5
1,2
4 20°
1,0
d 2 /d 1 = 3
2
Widerstandszahl
3
16° 12°
2
0,8
]
8° 1
0 1,2
6°
1,4
1,6 d 2 /d 1
1,8
1,9
Bild 7.8: Widerstandszahl der Diffusoren kreisförmigen Querschnitts [7.1]
]2
0,6 0,4 0,2 0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
G
Bild 7.9: Widerstandszahl der Diffusoren kreisförmigen Querschnitts mit δ > δgrenz
(7.10)
] c ( A2 / A1 1)
Der Wirkungsgrad eines Diffusors ist das Verhältnis des tatsächlich erzielten Druckanstiegs zum Druckanstieg nach der Bernoulli-Gleichung.
K Diff
c12 c22 ] 2 c22 c12 c22
1
]2 ( A2 / A1 ) 2 1
(7.11)
Die Widerstandszahlen für nicht kreisförmige Diffusoren findet man in entsprechender Literatur (z. B. VDI-Wärmeatlas [7.1], Idlechick: Handbook of hydraulic resistances [7.2]). Die Diffusorwirkungsgrade moderner Pumpen und Verdichter können Werte erreichen, die leicht über 0,9 liegen.
152 7.2.5
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Allmähliche Querschnittsverengungen (Konfusor, Düse)
Konfusoren haben eine stetige Querschnittsverengung. Bild 7.10 zeigt einen Konfusor mit konstantem Einschnürungswinkel. Prinzipiell können Konfusoren auch Querschnittsverengungen mit veränderlichem Einschnürungswinkel haben. Hier werden nur Konfusoren mit kreisförmigem Querschnitt und konstantem Einschnürungswinkel behandelt. Bei Konfusoren ist die Strahlablösung wesentlich kleiner als bei plötzlichen Querschnittsverengungen, daher sind auch die Widerstandszahlen deutlich kleiner. Für technisch raue Konfusoren mit kleinem Einschnürungswinkel ist die auf die Austrittsgeschwindigkeit bezogene Widerstandszahl in Bild 7.11 gegeben. Es erscheint widersprüchlich, dass die Widerstandszahl mit abnehmendem Winkel ansteigt. Der Grund hierfür ist, dass für ein bestimmtes Durchmesserverhältnis die Länge des Konfusors größer wird und damit auch der Reibungsdruckverlust. 0,10
0,08
d1
c1
c2
G
G = 4° 0,06
d2
]
2
6° 0,04
8°
0,02 20°
l 0,00 1,0
Bild 7.10: Allmähliche Querschnittsverengung (Konfusor, Düse)
1,2
1,4
1,6 d1 / d2
1,8
2,0
Bild 7.11: Widerstandszahlen der Düsen kreisförmigen Querschnitts
In der Technik werden Konfusoren zur Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet. Beispiele für ihre Anwendung sind: Garten- oder Feuerwehrschlauchdüsen, Düsen von Freistrahlturbinen, als Düsen ausgebildete Schaufelgitter der Dampf- und Gasturbinen, Windkanäle etc. Ähnlich wie beim Diffusor kann für die Düse ein Wirkungsgrad definiert werden. In einer idealen Düse wird die Druckänderung nach der Bernoulli-Gleichung vollständig in Änderung der kinetischen Energie umgewandelt. In der realen Düse verringert sich die Umwandlung durch den Reibungsdruckverlust. Daher ist der Wirkungsgrad gleich dem Verhältnis realer Änderung kinetischer Energie zur idealen Änderung.
K Konf
c22 c12 ] 2 c22 c22 c12
1
]2 1 ( A2 / A1 ) 2
(7.12)
153
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
7.2.6
Normdrosselorgane
Drosselorgane, die den Strömungsquerschnitt verengen und nachher wieder freigeben, nennt man Blenden oder Düsen. Im Gegensatz zum Konfusor, der eine stetige Querschnittsverengung ist, ist eine Düse eine auf der Eintrittsseite stetige Querschnittsverengung und auf der Austrittsseite eine plötzliche Querschnittserweiterung. Düsen und Blenden werden zur Drosselung von Strömungen verwendet. Zur Messung des Volumen- und Massenstroms nimmt man Normblenden, Normdüsen und Normventuridüsen. Die Funktion der Venturidüse wurde bereits bei idealen Fluiden besprochen. Bei realen Fluiden ist die Druckabnahme größer als nach der Bernoulli-Gleichung. Die Berücksichtigung des Druckverlustes und der Strahlkontraktion erfolgt durch Faktoren, die in EN ISO 5167-1 angegeben werden. Eine ausführliche Besprechung dieser Messmethode folgt noch im 12. Kapitel. Bild 7.12 zeigt eine Normblende, Normdüse und Normventuridüse. 1'000 800 c
d
1
D
d
600 500 400
D
300 Normblende
c
Normblende
200 D
d
1
100 80
D
60 50 40
Normdüse
c1
d
c1
Normdüse
30 D
d
1
20
Normventuridüse
Bild 7.12: Normdrosselorgane
Widerstandszahl ] 1
c
d 10 8 6 5 4
D
c1
G
Venturidüse
3 2
G = 30° G = 15°
1 0,8
c1
0,6 0,5 0,4 p
0,3
'p w
0,2
' pv
x
Bild 7.13: Druckverlauf in einem Drosselorgan
Querschnittsverhältnis
2
m=d /D
0,8 1
0,4 0,5 0,6
0,3
0,2
0,08 0,1
0,04 0,05 0,06
0,02
0,03
0,01
0,1 2
Bild 7.14: Widerstandszahlen der Drosselorgane
154
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
In allen drei Normdrosselorganen ist der Druckverlauf prinzipiell gleich. Wegen der Geschwindigkeitserhöhung entsteht direkt vor und nach dem Drosselorgan ein hoher Druckabfall, der als Wirkdruck ∆pw bezeichnet wird. Teilweise kann er durch die nachfolgende Geschwindigkeitsabnahme wieder zurückgewonnen werden. Dieser Rückgewinn verringert sich wegen des Reibungsdruckverlustes ∆pv. Je nachdem, ob eine Normblende, -düse oder -venturidüse verwendet wird, sind die Beträge des Wirkdruckes und des Reibungsdruckverlustes unterschiedlich. In Bild 7.13 ist der prinzipielle Druckverlauf über einer Normblende dargestellt. Bild 7.14 [7.1] zeigt Widerstandszahlen der Normdrosselorgane, die auf die Strömungsgeschwindigkeit c1 bezogen sind. In der Literatur wird der Reibungsdruckverlust in Drosselorganen oft als Anteil des Wirkdruckes angegeben. 7.2.7
Krümmer (Rohrbogen)
In Krümmern entsteht der Reibungsdruckverlust durch Ablösung der Strömung und durch Wirbelbildung. Ablösungen und Wirbel bilden sich hauptsächlich an der Innenseite des Krümmers. Die Reibungszahl hängt von der Geometrie, Rauigkeit des Krümmers und Reynoldszahl ab. In Bild 7.15 ist die Reibungszahl für Krümmer kreisförmigen Querschnitts in Abhängigkeit vom Krümmerwinkel und vom Verhältnis des Krümmerradius zum Innendurchmesser bei hohen Reynoldszahlen dargestellt. Für andere Geometrien, Winkel und Reynoldszahlen wird auf Literatur verwiesen (z. B. VDI-Wärmeatlas [7.1], Idlechick: Handbook of hydraulic resistances [7.2]). 0,5
di
0,4
G
r
0,3
]
G
0,2
90° rau 180° 90° 45° glatt 30° 15°
0,1
0
0
1
2
3
4
5 6 r/di
7
8
9 10
Bild 7.15: Reibungszahlen von Rohrkrümmern kreisförmigen Querschnitts bei hohen Reynoldszahlen [7.4]
155
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
7.2.8
Verzweigungen
Oft befinden sich in Rohrleitungen Verzweigungen, in denen entweder ein Massenstrom geteilt oder zwei Massenströme vereinigt werden. Die Reibungszahl hängt hier von der Größe der Massenströme und Geometrie der Verzweigung ab. Die Bilder 7.16 und 7.17 zeigen die Widerstandszahlen einiger Verzweigungen in Rohren kreisförmigen Querschnitts aus dem VDI-Wärmeatlas [7.1]. In den Diagrammen werden die Massenströme mit G bezeichnet. Der Index z steht für den größten Massenstrom, a für den zu- oder abgezweigten Massenstrom und d für den durchgehenden Massenstrom. Die Widerstandszahl ist als eine Funktion des Verhältnisses vom Gesamtmassenstrom und dem abgezweigten Massenstrom für verschiedene Geometrien dargestellt. Die Widerstandszahlen der durchgehenden und abgezweigten Strömung sind angegeben. Bei Verzweigungen kann die Widerstandszahl auch negativ werden, weil je nach Geometrie durchgehende oder abzweigende Strömung die andere Strömung mitreißt und damit die Geschwindigkeit verringert, wodurch der Druck vergrößert wird. 1,6
1,4
. mz
. mz
. md
. md
]a
. ma
. ma
1,2
1,0
]a . mz
0,8
]
. md
]a . ma
0,6
0,4
0,2
]d
]d
]d 0
-0,20
0,2
0,4
. . ma / mz
0,6
0,8
1
0
0,2
0,4
0,6 . . ma / mz
Bild 7.16: Widerstandszahlen von Verzweigungen
0,8
1
0
0,2
0,4
0,6 . . ma / mz
0,8
1
156
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
]d ]d
0,2
0
]
]a
]a
]a
]d
-0,2
-0,4
-0,8
-1,00
. md
. mz
. md
-0,6
0,4
. . ma / mz
0,6
. md
. mz
. ma
. ma
. ma 0,2
. mz
0,8
1
0
0,2
0,4
0,6 . . ma / mz
0,8
1
0
0,2
0,4
0,6 . . ma / mz
0,8
1
Bild 7.17: Widerstandszahlen von Verzweigungen
7.2.9
Andere Rohrleitungselemente
Einige Rohrleitungselemente, wie z. B. Ventile, Schieber, Rückschlagklappen, Siebe, Filter, Wellrohre usw., werden hier nicht näher behandelt. Entsprechende Widerstandszahlen können der schon erwähnten Literatur entnommen werden. Die Hersteller der Rohrleitungselemente geben für ihre spezifischen Produkte Widerstandszahlen an.
7.3
Rohrleitungssysteme
Der Reibungsdruckverlust in einem Rohrleitungssystem, bestehend aus k geraden Rohren und n Rohrleitungselementen, kann folgendermaßen berechnet werden:
'p v
i U ª
n
¦
« ] i ci2 2 «¬ i 1
j k
¦O j 1
j
lj
º c j2 » dj »¼
(7.13)
Hier muss man beachten, auf welche Geschwindigkeit die Widerstandszahl bezogen ist. Falsch eingesetzte Geschwindigkeiten können beträchtliche Fehler verursachen. Möglich ist auch, eine für das Rohrleitungssystem typische Geschwindigkeit
157
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
c0 bei dem entsprechenden Strömungsquerschnitt A0 auszuwählen und in Gl. (7.13) statt der Geschwindigkeit das Verhältnis der Strömungsquerschnitte einzusetzen.
'p v
i U c02 A02 ª
2
n
]i
j k
Oj
¦A ¦A
« «¬ i
1
2 i
j 1
2 j
lj º » d j »¼
(7.14)
Auch hier ist zu beachten, auf welche Querschnittsfläche die Widerstandszahl bezogen ist. Ferner ist es üblich, an Stelle der Widerstandszahl der Rohrleitungselemente eine gleichwertige Rohrlänge lgl anzugeben. Sie entspricht bei einem geraden Rohr der Länge, die den gleichen Reibungsdruckverlust erzeugt wie das Rohrleitungselement. l gl
]
d
(7.15)
O
BEISPIEL 7.1: Windkanal Ein Windkanal hat eine 6 m lange Messstrecke mit dem quadratischen Querschnitt von 0,3 m Kantenlänge. Der Messstrecke sind ein quadratischer Gleichrichter und ein Konfusor mit 20° Öffnungswinkel vorgeschaltet. Der Gleichrichter hat die Widerstandszahl 2 und eine Kantenlänge von 0,6 m. Zunächst strömt die Luft direkt aus der Messstrecke in die Umgebung. Um Energie zu sparen, wurde nach der Messstrecke ein Diffusor mit 0,54 m Austrittskantenlänge und 6° Öffnungswinkel angebracht. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Messstrecke ist 60 m/s. Die Luft kann als inkompressibles Medium mit einer konstanten Dichte von 1,2 kg/m3 behandelt werden. Die Widerstandszahlen der quadratischen Querschnittsveränderungen entnimmt man den Diagrammen für kreisförmige Querschnitte. Viskosität der Luft: 15 . 10-6 m2/s. Der Außendruck beträgt 0,98 bar. Zu berechnen sind: a) der Druck vor dem Gleichrichter und am Ende der Messstrecke mit und ohne Diffusor b) die Änderung der Leistungsaufnahme durch den Diffusor, wenn der Wirkungsgrad des Verdichters 0,75 ist. Lösung
1
2 3
Schema
5
4
pa
Siehe Skizze
Messstrecke
Gleichrichter
Konfusor
Diffusor
158
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Annahmen • •
Dichte und Viskosität der Luft sind konstant. Die Reibungszahlen der quadratischen Querschnittsveränderungen werden den Diagrammen kreisförmiger Querschnitte entnommen.
Analyse a) Der Druckverlust kann mit Gl. (7.13) oder (7.14) berechnet werden. Hier wenden wir Gl. (7.14) an: i U c32 ª
'p v
2
n
¦
« «¬ i
1
] i A32 Ai2
j k
¦
O j A32 l j º A 2j
j 1
» d j »¼
Für die Geschwindigkeit c3 und die Querschnittsfläche A3 werden die Werte der Messstrecke genommen. Dort muss zur Bestimmung des Reibungsdruckverlustes der hydraulische Durchmesser eingesetzt werden. Für den Gleichrichter ist die Widerstandszahl ζ1 = 2 und das Verhältnis der Flächen A3/A1 = 0,25. Die auf die Austrittsgeschwindigkeit c3 bezogene Widerstandszahl des Konfusors erhält man aus dem Diagramm in Bild 7.11 mit ζ2 = 0,015. Das Flächenverhältnis ist gleich 1. Am Austritt der Messstrecke haben wir eine plötzliche, unendliche Querschnittserweiterung. Die Geschwindigkeit wird damit zu null und die Widerstandszahl, bezogen auf die Geschwindigkeit in der Messstrecke, gleich ζ4 = 1. Der hydraulische Durchmesser hat die Kantenlänge von 0,3 m. Die Reynoldszahl ist damit: Re3
c3 a 3
60 0,3 15 10 6
Q
1'200'000
Die Rohrreibungszahl wird nach Gl. (6.35) berechnet:
O
>log ( Re
2
O ) 0,8
@
2
0,0113
Der Druck am Eintritt des Gleichrichters ohne Diffusor ist: p1
p1
pu
1 2 (cu c12 ) U 'p v 2
0,98 105
p4
U c32 2
(0
A32 A2 l ] 1 32 ] 2 ] 4 O ) 2 a A1 A1
1,2 602 6 (0 0,252 2 0,252 0,015 1 0,0113 ) 101'085 Pa 2 0,3
Am Austritt der Messstrecke ist der Druck ohne Diffusor gleich groß wie der Umgebungsdruck.
159
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Der Diffusor bewirkt einerseits, dass die Geschwindigkeit herabgesetzt wird und der Druck sich dadurch erhöht, andererseits entsteht im Diffusor ein Reibungsdruckverlust. Das Kantenverhältnis des Diffusors beträgt 1,8. Für die Widerstandszahl des Diffusors liest man aus dem Diagramm in Bild 7.8 den Wert von ζ4 = 0,4 ab. Die Widerstandszahl ζ5 am Austritt hat wiederum den Wert 1, bezogen auf die Geschwindigkeit am Diffusoraustritt. Der Druck vor dem Gleichrichter ist: p1 pu p1
0,98 10 5
pu
1 2 (c4 c12 ) U 'pv 2
A2 A2 A2 lº «0 32 ] 1 32 ] 2 (] 4 ] 5 ) 32 O » a¼ A1 A1 A5 ¬
U c32 ª 2
1,25 60 2 6 (0 0,25 2 2 0,25 2 0,015 1,4 (1 / 1,8) 4 0,0113 ) 2 0,3 99'213 Pa
Am Ende der Messstrecke beträgt der Druck: p4
pu p4
1 2 (cu c42 ) U 'pv 2 0,98 10 5
pu
A2 A2 º «0 1 ] 4 32 ] 5 32 » A5 A5 ¼ ¬
U c32 ª 2
1,2 60 2 [0 1 1,4 (1 / 1,8) 4 ] 96'128 Pa 2
b) Die Änderung des Druckverlustes entspricht der Änderung des Druckes am Eintritt des Gleichrichters: ǻ(ǻp ) 100'746 Pa 98'875 Pa
1'871 Pa
Die Änderung der Leistung, die wegen dieser Druckdifferenz erbracht werden muss, ist:
'P V ' ('p) / K m
A3 c3 ' ('p) / K m
0,09 m 2 60 m/s 1'871 Pa 0,75
13,5 kW
Diskussion Durch das Anbringen des Diffusors lässt sich der Druckverlust wesentlich verringern und die Verdichterleistung dadurch senken. Durch den Diffusor wird die Geschwindigkeit am Austritt, die wegen plötzlicher Querschnittserweiterung verloren geht, teilweise in Druck umgewandelt. Der Verlust zwischen dem Eintritt des Gleichrichters und dem Austritt des Windkanals wird um den Faktor 3 gesenkt.
160
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
BEISPIEL 7.2: Rohrleitungssystem einer Pumpenanlage In einem Kraftwerk wird mit einer Pumpe aus einem Kondensatbehälter Kondensat mit dem Massenstrom von 23 kg/s zum Speisewasserbehälter gefördert. Die Rohrleitung und die Rohrleitungselemente sind, wie in nachfolgender Skizze dargestellt, angeordnet. Der Druck im Kondensatbehälter beträgt 5 bar und der des Speisewassertanks 10 bar. Das Wasser im Kondensatbehälter ist gesättigt. Folgende Widerstandszahlen sind gegeben: Rohreintritt z1 = 0,5, Rückschlagklappe z5 = 2,3, Konus 11 (200/150 mm) z11 = 0,2, Konusse 15 und 17 z15 = z17 = 0,15, Regelventil 16 z16 = 3,0, Rohrbögen zi = 0,2 und Austritt z28 = 1. Die Widerstandszahlen sind mit den Geschwindigkeiten in den Rohrleitungen zu rechnen. Die Rohre haben eine Rauigkeitshöhe von 0,05 mm. Die Viskosität des Wassers ist 0,197 . 10-6 m2/s, die Dichte 915,3 kg/m3. a) Berechnen Sie den Druck vor und nach der Pumpe. b) Berechnen Sie die gleichwertige Länge eines DN200-Rohrbogens und die der Rückschlagklappe.
10 bar Speisewassertank
28 24
0,5 m
7m DN 125
23
25
26 27
5m
0,5 m Kondensatbehälter 3m
5 bar
1 2 5m
20
Rückschlagklappe
1m DN200 3
22 21
4 5m
6 5
5m
7 15
3m 8
0,3 m 13 3 m 12
16 17
19
18 0,8 m
10 14 9
3m
11
Pumpe
Lösung Schema
Siehe Skizze
Annahmen • •
Dichte und Viskosität des Wassers sind konstant. Man kann mit mittleren Strömungsgeschwindigkeiten rechnen.
15 m
161
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Analyse a) Da die Reibungszahlen vor der Pumpe auf die Geschwindigkeit im Rohr mit DN200 und nach der Pumpe im Rohr mit DN125 bezogen sind, werden die Berechnungen vor und nach der Pumpe getrennt durchgeführt. Die Geschwindigkeit vor der Pumpe bezeichnen wir mit c1, nach der Pumpe mit c12, sie sind: c1
4 m S d12 U
4 23 kg/s ʌ 0,2 m 2 915,3 kg/m 3
0,8 m/s c12
2
4 m S d122 U
2,05 m/s
Der Druckverlust wird mit Gl. (7.14) berechnet.
'p v
i U c02 A02 ª
2
n
j k
]i
Oj
¦ A ¦ A
« «¬ i
1
2 i
j 1
2 j
lj º » d j »¼
Die geraden Rohrleitungen können alle zu einer Leitung zusammengefasst werden. Für die Rohre vor der Pumpe ist die gesamte Länge lges die Summe der Längen der Leitungselemente 2, 4, 6, 8 und 10. Sie beträgt 15 m. Der Druckverlust für das Leitungssystem vor der Pumpe ist:
'p v
i U c02 A02 ª
2
n
]i
j k
Oj
¦A ¦A
« «¬ i
1
2 i
j 1
2 j
lj º » d j »¼
Damit die Reibungszahl für die DN200-Rohre berechnet werden kann, muss man die Reynoldszahl und den Gültigkeitsbereich für die Rohrreibungszahl bestimmen.
Re
c1 d s
Q
0,8 0,2 0,197 10 6
812'182
Re k / d
203
Damit erhalten wir nach Gl. (6.36) die Rohrreibungszahl:
O
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» « 2 log¨¨ d ¹¼» © Re O ¬«
2
0,0154
Der Reibungsdruckverlust ist:
'p v ,111
0,8 2 915,3 § 15 · ¨¨ 0,0154 0,5 0,2 2,3 0,2 0,2 0,2 ¸¸ 1'393 Pa 2 0,2 © ¹
Den Druck vor der Pumpe erhalten wir aus der Energiebilanzgleichung: p11
p0 0,5 U (c112 c02 ) g U ( z11 z 0 ) 'pv ,1 11
162
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Dabei zeigt Index 0 den Zustand im Kondensatbehälter an. Die Geschwindigkeit c0 können wir vernachlässigen, c11 ist die Geschwindigkeit am Austritt des Konfusors 11 mit 150 mm Durchmesser, d. h., c11 beträgt 1,422 m/s.
5 105 915,3 (0,5 1,422 2 9,81 5) 1393 5,453 bar
p11
Nach der Pumpe berechnet sich der Reibungsdruckverlust im Rohrsystem analog.
c1 d s
Re
Q
2,05 0,125 0,197 10 6
1'300'761
Re k / d
520
Damit wird die Rohrreibungszahl nach Gl. (6.36) bestimmt.
O
ª § 2,51 k ·º 0,269 ¸¸» « 2 log¨¨ d ¹»¼ «¬ © Re O
2
0,0163
Der Reibungsdruckverlust ist: 2,05 2 915,3 § 20,1 · ¨¨ 0,0163 0,15 3 0,15 5 0,2 1¸¸ 15'213 Pa 2 0 , 125 © ¹
'p v ,12 28
p12
2 p 29 0,5 U (c29 c122 ) g U ( z 29 z12 ) 'pv ,12 28
Dabei zeigt Index 29 den Zustand im Speisewassertank an. Die Geschwindigkeit c29 können wir vernachlässigen.
10 10 5 915,3 (0,5 2,05 2 9,81 15) 15 234 11,479 bar
p12
b) Zur Berechnung der gleichwertigen Länge wird Gl. (7.15) mit der für das 200 mm-Rohr bestimmten Rohrreibungszahl verwendet. l gl , Bogen DN 200
l gl , Rückschlagklappe
]B
d1
O1
] Rückschlagklappe
0,2
d1
O
0,2 m 0,0154
2,3
2,61 m
0,2 m 0,0154
29,96 m
Diskussion Die Berechnung der Rohrleitungssysteme wird vereinfacht, wenn für alle Leitungselemente die gleiche Bezugsgeschwindigkeit eingesetzt werden kann. Es ist aber stets darauf zu achten, dass für die Reibungszahl die maßgebende Geschwindigkeit verwendet wird. Die gleichwertige Länge der Rohrleitungselemente kann wesentlich größer werden als die Länge gerader Rohre.
163
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
BEISPIEL 7.3: Berechnung einer Blende Die Heizkreisläufe zweier Häuser werden von einer Pumpe mit 0,2 kg/s Wasser versorgt. Die Leitungssysteme beider Heizungen bestehen aus folgenden Elementen: Heizung 1: 30 m gerade Rohre mit 19,05 mm Innendurchmesser, 8 Rohrbögen mit ζB = 0,2, 1 Rückschlagventil mit ζR = 1,5, 5 Heizkörper mit ζH = 1,9, 1 Sieb mit ζs = 1,2 Heizung 2: 55 m gerade Rohre mit 19,05 mm Innendurchmesser, 21 Rohrbögen mit ζB = 0,2, 1 Rückschlagventil mit ζR = 1,5, 5 Heizkörper mit ζH = 1,9, 1 Sieb mit ζs = 1,2 Alle Widerstandszahlen sind auf die Geschwindigkeit im 19,05 mm-Rohr bezogen. Die kinematische Viskosität des Wasser beträgt 0,553 . 10-6 m2/s, die Dichte 988,1 kg/m3. Die mittlere Rauigkeitshöhe der Leitungen ist 0,05 mm. Für das Leitungssystem der Heizung 2 muss eine Blende so ausgelegt sein, dass der Massenstrom in beiden Heizungen gleich groß ist. Lösung Schema
Siehe Skizze Heizkörper
2 Heizung 1
Heizung 2 Sieb
1
Kessel
Rückschlagventil
Pumpe
Annahmen • •
Dichte und Viskosität des Wassers sind in beiden Systemen gleich groß. Man kann mit mittleren Strömungsgeschwindigkeiten rechnen.
Analyse Beide Heizungssysteme haben zwischen den Punkten 1 und 2 den gleichen Reibungsdruckverlust. Damit die Strömungsgeschwindigkeit beider Systemen gleich groß wird, müssen sie insgesamt die gleiche Reibungszahl haben. Die Reibungszahlen der Systeme ohne Blende sind: i n
]I
¦ i 1
] I ,i O
lI d
i n
] II
¦] i 1
II , i
O
l II d
164
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Der Index I ist für Heizung 1, II für Heizung 2. Die Rohrreibungszahl ist in den zwei Systemen gleich groß, da beide identische Durchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten haben. Zunächst muss die Rohrreibungszahl ermittelt werden. c
Re
4 m S d 2 U
4 0,2 kg/s ʌ 0,01905 2 m 2 988,1 kg/m 3
0,710 0,01905 0,553 10 6
c d
Q
24'458
Re k / d 64,2
0,710 m/s
O
0,3164 Re0, 25
0,0253
Für die Widerstandszahlen der beiden Heizungen (noch ohne Blende) erhalten wir:
]I
8 ] B ] R 5 ] H ] s O lI / d
1,6 1,5 5 1,9 1,2 0,0253 18 / 0,01905 53,64
] II
21 ] B ] R 5 ] H ] s O l II / d
4,2 1,5 5 1,9 1,2 0,0253 55 / 0,01905 89,44 Dies bedeutet, dass zum Erreichen des gleichen Massenstroms eine Blende mit der Widerstandszahl 35,8 eingebaut werden muss. Die Widerstandszahlen der Blenden können aus dem Diagramm in Bild 7.14 abgelesen werden. Für das Querschnittsverhältnis m = (d/D)2 erhält man 0,25. Der Durchmesser der Blende ist: d Blende
m di
0,25 19,05 mm
9,53 mm
Diskussion Damit in zwei Systemen, die den selben Druckverlust haben, der gleiche Massenstrom fließt, müssen beide Systeme identische, auf die gleiche Geschwindigkeit bezogene Gesamtwiderstandszahlen haben. Zur Anpassung der Massenströme eignen sich Blenden sehr gut.
7.4
Ausströmungsvorgänge
7.4.1
Ausfluss bei konstantem Flüssigkeitsniveau
Bei den mit idealen Fluiden behandelten Ausströmungsvorgängen blieben Reibungsverluste, die die Ausströmgeschwindigkeit oder die Ausströmungszeiten wesentlich beeinflussen, unberücksichtigt. Zur Behandlung des in Bild 4.5 gezeigten Behälters wird die Energiebilanzgleichung (6.15) verwendet.
165
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
pc2
U 2
p a ca2
gUz
U 2
g U z a 'pv
(7.16)
Der Reibungsdruckverlust wird auf die Ausflussgeschwindigkeit ca bezogen. Die Reibungszahl ζ erfasst alle Reibungsdruckverluste.
'p v
]
U 2
ca2
(7.17)
Gleichung (7.17) in Gl. (7.16) eingesetzt und nach der Ausflussgeschwindigkeit aufgelöst, ergibt: ca
2
( p pa ) / U g ( z z a ) 1 ( Aa / A) 2 ]
(7.18)
Die reibungsfreie Ausflussgeschwindigkeit, die mit Gl. (4.13) ermittelt wurde, wird mit cca und das Verhältnis der reibungsbehafteten zur reibungsfreien Ausflussgeschwindigkeit mit ϕ bezeichnet. Mit den Gln. (7.18) und (4.13) berechnet sich ϕ zu:
M
ca cac
1 ( Aa / A) 2 1 ( Aa / A) 2 ]
(7.19)
Das Verhältnis der reibungsbehafteten zur reibungsfreien Ausflussgeschwindigkeit wird als Geschwindigkeitsziffer oder Geschwindigkeitsbeiwert ϕ bezeichnet. Ist die Strömung in der Ausflussöffnung eingeschnürt, ist die wirkliche Strömungsgeschwindigkeit größer als die mittlere Geschwindigkeit. Das Verhältnis des Strahlquerschnitts zum Strömungsquerschnitt bezeichnet man als Kontraktionszahl α. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit verringert sich um dieses Verhältnis, so dass die wirkliche Ausflussgeschwindigkeit, bezogen auf den Strömungsquerschnitt, gegeben ist als: ca
D M cac
P c ac
P 2
( p pa ) / U g ( z z a ) 1 ( Aa / A) 2
(7.20)
Das Produkt aus Kontraktionszahl und Geschwindigkeitsziffer wird als Ausflusszahl µ bezeichnet. Sie ist von der Geometrie und in einigen Fällen auch von der Reynoldszahl abhängig. In diesem Fall muss die Ausflussgeschwindigkeit iterativ ermittelt werden. Ausflusszahlen für einige Ausläufe: scharfkantige Bohrung kurze Rohrstücke mit 2 < l / d < 3 gut gerundete Düse
0,6 0,82 0,99
166 7.4.2
7 Druckverlust in Rohrleitungselementen
Ausfluss bei veränderlichem Flüssigkeitsniveau
Bei der Ausströmung aus einem Behälter konstanten Querschnitts kann die Ausströmungszeit mit Gl. (4.21) berechnet werden. Bei reibungsbehafteter Strömung wird aber die Zeit um den Kehrwert der Ausflusszahl vergrößert. Hängt die Ausflusszahl von der Reynoldszahl ab, ist meist nur eine nummerische Integration möglich, da sich mit verändertem Flüssigkeitsniveau die Ausflussgeschwindigkeit und damit die Reynoldszahlen ebenfalls verändern. Bei nicht konstantem Behälterquerschnitt ist die Änderung des Querschnitts mit dem Flüssigkeitsniveau zu berücksichtigen und entsprechend zu integrieren. In der Fachliteratur sind Lösungen für verschiedene Behälterformen gegeben [7.3].
8
Strömung kompressibler Fluide
Bei kompressiblen Fluiden muss die Druckabhängigkeit der Dichte berücksichtigt werden. Die Gesetzmäßigkeiten für Druckverlust, Ausströmvorgänge und Anströmung von Körpern verändern sich. Kompressibiltätseffekte können bei der Berechnung von Gas- und Dampfturbinen und bei Sicherheitsproblemen von Druckbehältern eine maßgebliche Rolle spielen.
8.1
Grundlagen
Bei der Strömung kompressibler Fluide müssen zunächst einige Größen eingeführt werden, die bisher nicht definiert wurden. 8.1.1
Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Druckstörung
Eine der wichtigsten Einflussgrößen der kompressiblen Strömung ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Druckstörung. Dazu betrachten wir eine kleine Druckänderung, die zum Beispiel durch einen Kolben in einem Rohr konstanten Querschnitts erzeugt wird (Bild 8.1a). Wird der Kolben in Bewegung gesetzt, erzeugt er eine Geschwindigkeit Dc und diese eine Änderung der Zustandsgrößen. Die Druckänderung ∆p wird sich mit der Geschwindigkeit a ausbreiten, was ein instationärer Vorgang ist. Bewegt sich der Beobachter mit Geschwindigkeit a der Störung, ist der Vorgang stationär (Bild 8.1b).
Kolben
U'U + p + 'p T + 'T
gestörte Zone
'c
Schallwelle
U a p T
U'U + p + 'p T + 'T
a - 'c
U a p T
mit der Schallwelle mitbewegter Kontrollraum
ungestörte Zone
a: ruhender Beobachter
b: mitbewegter Beobachter
Bild 8.1: Zur Ausbreitung einer Druckstörung in einem Fluid
Die Kontinuitätsgleichung für den mitbewegten Kontrollraum lautet: (a 'c) A ( U 'U )
a A U
(8.1)
168
8 Strömung kompressibler Fluide
Vernachlässigt man die Terme zweiter Ordnung, erhält man für die Geschwindigkeit ∆c:
'c
a
U
'U
(8.2)
Die Impulsbilanz für den Kontrollraum lautet: ( p 'p) A m (a 'c)
p A m a
(8.3)
Nach Multiplikation und Vernachlässigung der Terme zweiter Ordnung erhält man:
'p A m 'c
(8.4)
Für den Massenstrom wird a . ρ . A und für die Geschwindigkeit ∆c in Gl. (8.2) eingesetzt. Die Geschwindigkeit a ist damit: a
'p 'U
(8.5)
Für den Grenzwert der Differenzen kann die differentielle Änderung eingesetzt werden. In der Strömung treten keine dissipativen Effekte auf. Damit kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit a einer kleinen Druckstörung (velocity of a small pressure disturbance) in erster Näherung als isentrope Änderung behandelt werden: a2
§ dp · ¨¨ ¸¸ © dU ¹ s
(8.6)
Bei isentroper Zustandsänderung für ideale Gase gilt: p
UN
konst.
(8.7)
Die Ableitung nach Gl. (8.6) wird damit: a2
§ dp · ¨¨ ¸¸ © dU ¹ s
konst. N U N 1
N
p
U
N R T
(8.8)
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen bzw. die Schallgeschwindigkeit (sonic velocity) ist: a
N R T
Np U
(8.9)
169
8 Strömung kompressibler Fluide
In der Atmosphäre erzeugt jeder bewegte Körper an seiner Vorderseite (vorderer Staupunkt) eine Druckerhöhung. Diese breitet sich je nach Geschwindigkeit des Körpers unterschiedlich aus. Bewegt sich der Körper mit einer Geschwindigkeit, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, wird sich die Druckerhöhung vom Körper als Kugelwelle vor und hinter dem Körper ausbreiten. Ist die Geschwindigkeit des Körpers größer als die Schallgeschwindigkeit, breitet sich die Druckänderung nur hinter dem Körper aus. Die verschiedenen Druckfortpflanzungen zeigt Bild 8.2. Im ersten Fall breitet sich die Druckstörung vor dem bewegten Körper aus, man spricht vom Unterschallbereich. Erfolgt die Bewegung mit Schallgeschwindigkeit, bewegt sich der Körper mit der gleichen Geschwindigkeit wie die von ihm erzeugte Druckwellenfront. Dieser Bereich wird transsonischer Bereich genannt. Bewegt sich der Körper schneller als Schallgeschwindigkeit, erzeugt er eine kegelförmige Druckwellenfront, der hinter dem Körper liegt (Mach'scher Kegel). Wenn die Geschwindigkeit bis zu fünfmal größer als die Schallgeschwindigkeit ist, wird dieser Bereich Überschall-, darüber Hyperschallbereich genannt.
a.t
2.a.t
3.a.t
c
a)
c .t 2.c .t 3.c .t
Zone des Schweigens
Zone des Schweigens
b)
M
a.t
2.a.t
3.a.t
2.c .t 3.c .t
Ke
l ge
3.a.t
2.a.t a.t
c
c
r he 'sc a ch
c .t c)
3.c .t
2.c .t
c .t
Bild 8.2: Druckwellenausbreitung bei verschiedenen Geschwindigkeiten der Störquelle a) Unterschall c < a b) schallnaher Bereich c = a c) Überschall c > a
8.1.2
Machzahl
Das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Geschwindigkeit eines Körpers in einem Fluid zur Schallgeschwindigkeit wird Machzahl Ma genannt. c (8.10) a Neben der Reynoldszahl ist die Machzahl eine wichtige Kennzahl bei der Behandlung kompressibler Strömungen. Die Strömung eines Fluids bzw. die Bewegung eines Körpers in einem Fluid wird mit der Machzahl folgendermaßen unterschieden: Ma
170
8 Strömung kompressibler Fluide
Ma < 1 Ma = 1 Ma > 1 Ma > 5
Unterschallströmung (subsonic flow) transsonische Strömung (transsonic flow) Überschallströmung (supersonic flow) Hyperschallströmung (hypersonic flow)
Strömungen kompressibler Fluide können bei Machzahlen, die kleiner als 0,2 sind, als inkompressibel behandelt werden. Später wird noch gezeigt, dass für diesen Fall der Einfluss der Kompressibilität vernachlässigbar klein ist. BEISPIEL 8.1: Geschwindigkeit eines Überschallflugzeugs Ein Flugzeug wird von einem ruhenden Beobachter A senkrecht zur Flugrichtung in 1 km Entfernung am Punkt B optisch wahrgenommen. Das Geräusch des Fliegers hört er 3,5 Sekunden später. Die Temperatur der Luft ist 20 °C. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Flugzeugs. C
Lösung
Flugzeug
D
Schema
c
Siehe Skizze
E 1km
Annahme •
D
B
A Beobachter
Im Beobachtungsraum ist die Schallgeschwindigkeit konstant.
Analyse Zunächst wird die Schallgeschwindigkeit der Luft bestimmt. Der Isentropenexponent der Luft ist bei 20 °C 1,4 und die Gaskonstante 287 J/(kg K). Damit wird die Schallgeschwindigkeit: a
N R T
1,4 287 J/(kg K) 293,15 K
343,2 m/s
3,5 Sekunden bevor der Beobachter das Flugzeug hört, befindet es sich am Punkt C. Die Entfernung zwischen den Punkten B und C ist c . 3,5 s. Die Schallwelle, die vom Beobachter am Punkt A gehört wird, wurde vom Punkt D ausgesandt. Die Entfernung zwischen den Punkten A und D ist a . 3,5 s = 1'201,2 m. Mit der gegebenen Entfernung zwischen A und B von 1 km und der Entfernung zwischen A und D kann der Winkel β am Punkt D bestimmt werden.
E
arcsin(AB/AD) 56,36q
Da der Winkel des Dreiecks ACD am Punkt A ein rechter Winkel ist, erhält man für den Winkel α = 33,64°. Die Entfernung zwischen C und B beträgt:
8 Strömung kompressibler Fluide
CB
171
AB / tan(D ) 1'502,6 m
Die Geschwindigkeit des Flugzeugs errechnet sich damit zu: c
CB 3,5 s
1'502,6 m 3,5 s
429,3 m/s 1,25 Ma
Diskussion Mit der Schallgeschwindigkeit kann die Geschwindigkeit eines Überschallflugzeugs bei bekannter Entfernung aus der Zeitmessung bestimmt werden. BEISPIEL 8.2: Geschwindigkeit eines Geschosses Die Schlierenbildaufnahme eines Geschosses zeigt einen Mach'schen Kegel mit einem Winkel von 52°. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Geschosses, wenn die Lufttemperatur 20 °C beträgt. Lösung Schema
52°
Siehe Skizze
Annahme •
Die Schallgeschwindigkeit ist im Beobachtungsraum konstant.
Analyse Aus Beispiel 8.1 kann die Schallgeschwindigkeit mit 343,2 m/s entnommen werden. Der geometrische Zusammenhang zwischen dem halben Winkel des Mach'schen Kegels δ/2 und der Flug- und Schallgeschwindigkeit erlaubt eine direkte Berechnung der Fluggeschwindigkeit. c
a / sin (G / 2)
782,9 m/s
2,28 Ma
Diskussion Die Fluggeschwindigkeit kann einfach aus den Schlierenbildern schnell bewegter Körper ermittelt werden.
172 8.1.3
8 Strömung kompressibler Fluide
Zustandsgrößen der Stagnation
Bei adiabater Strömung in einem Strömungskanal gilt für die Zustandsänderung folgende Energiebilanz:
Gq Gw dh c dc g dz Da die Zustandsänderung adiabat ist und dem System keine mechanische Arbeit zugeführt wird, ist die linke Seite der Gleichung gleich null. Bei kompressiblen Strömungen werden nur Gase und hier im Speziellen ideale Gase behandelt. Daher kann der Einfluss der potentiellen Energie vernachlässigt werden. Für eine Zustandsänderung von Zustand 0 zu einem beliebigen Zustand ohne Index gilt: h
c2 2
h0
c02 2
konst.
Wird bei Zustand 0 die Geschwindigkeit c0 = 0 gesetzt, erhält man: h0
h
c2 2
konst.
(8.11)
Dabei ist h die spezifische Totalenthalpie des strömenden Fluids, h0 die spezifische Stagnationsenthalpie. Für ideale Gase gilt: h
cp T
N R T und c N 1
Ma N R T
Setzt man diese Zusammenhänge in Gl. (8.11) ein, erhält man für die Temperatur: T0
§ N 1 · T ¨1 Ma 2 ¸ 2 © ¹
konst.
(8.12)
Dabei ist T die Temperatur eines kompressiblen Fluids, die bei einer Geschwindigkeitsänderung aus dem Ruhezustand mit der Stagnationstemperatur T0 entsteht.
8.2
Adiabate Strömung in Kanälen konstanten Querschnitts
Bei der Behandlung inkompressibler Fluide ist die Dichte des strömenden Fluids konstant. Damit kann die Energiebilanzgleichung einfach integriert werden. Bei der Strömung von Gasen verändert sich mit dem Druck die Dichte des Fluids. Trotz eines konstanten Strömungsquerschnitts ändert sich damit die Geschwindigkeit des Gases. Dies kann anschaulich am Beispiel einer waagerechten Rohrleitung ohne Querschnittsveränderung gezeigt werden. Durch den Reibungsdruckverlust wird der Druck gesenkt, damit verringert sich die Dichte des Gases, die Geschwindigkeit erhöht sich. Durch die höhere Geschwindigkeit wird der Reibungsdruckverlust
173
8 Strömung kompressibler Fluide
größer als bei der inkompressiblen Strömung. Infolge der Erhöhung der kinetischen Energie kommt eine Druckänderung dazu, die eine zusätzliche Absenkung des Druckes verursacht. Bild 8.3 zeigt die Druck- und Geschwindigkeitsänderung eines kompressiblen Fluids in einem Rohr. p,c
p
1
inkompressibel c2 ohne Berücksichtigung der Beschleunigung
c1 zusätzlicher Reibungsdruckverlust wegen höherer Geschwindigkeit
kompressibel
p
2
Druckänderung wegen Geschwindigkeitsänderung
0
l
Bild 8.3: Druck- und Geschwindigkeitsverlauf eines kompressiblen Fluids in einem geraden, horizontalen Rohr
8.2.1
Energiebilanz der kompressiblen adiabaten Strömung
Bei kompressibler Strömung ändert sich mit dem Druck die Dichte. Wenn man sich auf eine adiabate Strömung beschränkt, lautet die Energiegleichung in differentieller Form: dp
U c dc g U dz dpv
(8.13)
Der Reibungsdruckverlust ist von der Dichte und Viskosität des Fluids und Geometrie abhängig. 8.2.2
Spezielle Lösungen der Energiebilanzgleichung
Für ein gerades Rohr, in dem ein ideales Gas strömt, kann meist die Druckänderung mit der geodätischen Höhe vernachlässigt werden. Gl. (8.11) vereinfacht sich somit zu:
174
8 Strömung kompressibler Fluide
dp
U c dc
O c2 U d
2
dl
(8.14)
Hier wird die reibungsbehaftete Druckänderung als Funktion der Machzahl hergeleitet. Zunächst wird Gl. (8.14) durch p dividiert und folgende Umformungen durchgeführt:
p/ U
a2 /N
R T
Ma
c/a
d (c 2 / 2)
c dc
(8.15)
§ c 2 · O N Ma 2 ¨ ¸ d dl 2 a 2 ¨© 2 ¸¹ d
dp p
N
(8.16)
Nach weiteren Umformungen erhalten wir:
dp p
N Ma 2 d (c 2 )
2
c2
O N Ma 2 d
2
dl
(8.17)
Um einen Zusammenhang zwischen der Machzahl Ma, d. h. der Strömungsgeschwindigkeit und der Rohrlänge l zu bekommen, müssen aus Gl. (8.17) die Terme dp/p und d(c2)/c2 eliminiert werden. Aus der Definition der Machzahl erhalten wir:
Ma
c2
c/a
Ma 2 a 2
d (c 2 ) c2
Ma 2 N R T
dT d ( Ma 2 ) T Ma 2
Die Kontinuitätsgleichung liefert: d (c U )
0
c dU
dU
U dc
U
dc c
d (c 2 ) 2 c2
Aus der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase erhält man: p
R U T
dp
dp p
R ( U dT T dU )
dT dU T U
Werden diese drei Gleichungen kombiniert, ergibt sich: 1 dT d ( Ma 2 ) 2 T Ma 2
dp p
(8.18)
In Gl. (8.13) eingesetzt, erhalten wir:
dT d ( Ma 2 ) 2 T Ma 2
N Ma 2 d ( Ma 2 ) N Ma 2 dT 2
Ma 2
2
T
O N Ma 2 d
2
dl
175
8 Strömung kompressibler Fluide
Vereinfacht:
1 N Ma 2 dT 2 T
O N Ma 2 d
2
dl
1 N Ma 2 d ( Ma 2 ) 2 Ma 2
(8.19)
Zum Schluss benötigen wir noch den Zusammenhang zwischen den Termen dT/T und Ma. Diesen erhalten wir aus Gl. (8.12). Für dT/T gilt: dT T
(N 1) Ma 2 d ( Ma 2 ) 2 2 (N 1) Ma Ma 2
In Gl. (8.19) eingesetzt und umgeformt erhält man:
d ( Ma 2 ) 1 Ma 2 4 N 1 Ma 2 N Ma 1 2
O d
dl
(8.20)
Gleichung (8.20) ist eine Differentialgleichung, die die Änderung der Machzahl Ma mit der Rohrlänge l bestimmt. Die Länge, bei der die Machzahl den Wert 1 erreicht, wird mit l* bezeichnet. Die Integration zwischen den Längen 0 und l* und den Machzahlen Ma und 1 lautet: 1
l*
³
³ d dl
1 Ma 2 d ( Ma 2 ) 1 N § · 4 2 MaN Ma 1 Ma ¸ ¨ 2 © ¹
O
0
Unter der Annahme eines konstanten Isentropenexponenten κ kann die linke Seite der Gleichung direkt integriert werden. Auf der rechten Seite ist die Rohrreibungszahl λ von der Reynoldszahl abhängig. Da nach der Kontinuitätsgleichung in einem Rohr konstanten Querschnitts gilt, dass das Produkt der Geschwindigkeit und Dichte konstant ist, verändert sich in der Reynoldszahl Re = (c . d . ρ)/η während der Strömung nur noch die dynamische Viskosität. In einem idealen Gas hängt diese von der Temperatur ab. Die Abhängigkeit ist relativ schwach, so dass mit einem mittleren Wert gerechnet werden kann.
O d
l
l*
1 *O dl l* 0 d
³
(8.21)
Die Integration von Gl. (8.20) ergibt: 1 Ma 2 N 1 ª (N 1) Ma 2 º ln « 2 » N Ma 2 2 N ¬ 2 (N 1) Ma ¼
O
l* d
(8.22)
176
8 Strömung kompressibler Fluide
Mit Gl. (8.22) kann die Rohrlänge l* berechnet werden, bei der bei einer bestimmten Machzahl am Rohreintritt (oder an anderer Stelle, die als null definiert wird) die Machzahl 1 erreicht wird. Ma 1
hypothetisches Rohr
Ma 2 c1
c2
l
l (Ma 2 ) * l (Ma 1 ) *
Bild 8.4: Zur Berechnung von Leitungen gegebener Länge
Ist eine Rohrlänge l vorgegeben, kann man die Änderung der Machzahl mit Gl. (8.22) berechnen. Für Rohrabschnitte, die kleiner als l* sind, wird die Länge wie folgt bestimmt: l d
O
O
l* ( Ma1 ) l ( Ma 2 ) O * d d
(8.23)
Mit der errechneten Machzahl können die Änderungen der Geschwindigkeit, der Temperatur und des Druckes berechnet werden. Die Änderung der Temperatur kann aus Gl. (8.12) hergeleitet werden. T T*
T / T0 T* / T0
1N 2 (N 1) Ma 2
(8.24)
Die Temperatur T* ist die Temperatur, die bei der Machzahl 1 nach Gl. (8.12) berechnet wird. Die Änderung des Druckes kann mit Hilfe der Zustandsgleichung idealer Gase und der Kontinuitätsgleichung bestimmt werden. Somit erhalten wir:
U U*
c* c
a* Ma a
N R T* 1 Ma N R T
§ T* · ¨ ¸ 2 © Ma T ¹
1/ 2
(8.25)
Die Zustandsgleichung idealer Gase liefert:
p p*
T U T* U*
1/ 2
§ T · ¨ ¸ ¨ Ma 2 T ¸ * ¹ ©
Gleichung (8.25) in Gl. (8.26) eingesetzt, ergibt:
(8.26)
177
8 Strömung kompressibler Fluide
p p*
1/ 2
· 1 § 1N ¸ ¨ Ma ¨© 2 (N 1) Ma 2 ¸¹
(8.27)
Mit Gl. (8.22) bestimmt man die Änderung der Machzahl in Abhängigkeit der Rohrlänge. Mit den errechneten Machzahlen können die Änderungen des Druckes, der Temperatur, Dichte und Geschwindigkeit ermittelt werden. Die bisherigen Betrachtungen geben keine Auskunft darüber, in welche Richtung die Änderungen verlaufen können. Dazu muss die Änderung der Entropie untersucht werden. Für ideale Gase gilt:
s s*
ª N § p ·º §T · R« ln¨¨ ¸¸ ln¨¨ ¸¸» © p* ¹»¼ ¬« N 1 © T* ¹
(8.28)
Mit Gl. (8.28) errechnete Entropien sind in Bild 8.5 in einem T-s-Diagramm dargestellt. Die so ermittelte Kurve wird Fanno-Linie oder Fanno-Kurve genannt. T
2
Ma < 1 1
T*
Ma = 1 senkrechter Verdichtungsstoß
Ma > 1
1'
N = 1,4000
s1
s
*
s
Bild 8.5: Fanno-Linie im T-s-Diagramm
Das Diagramm zeigt, dass die Zustandsänderung, da sie adiabat ist, nur nach rechts erfolgen kann. Dies bedeutet, dass beim Anfangszustand 1 in der Unterschallströmung (Ma < 1) die Geschwindigkeit der kompressiblen Strömung in einer Leitung konstanten Querschnitts beschleunigt wird und höchstens Schallgeschwindigkeit erreicht. Sie kann in der Leitung selbst nicht erreicht werden, weil dann nach der Fanno-Linie eine negative Entropieänderung erfolgen würde, was nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik unmöglich ist. Bei gegebener Druckdifferenz zwischen dem Ein- und Austritt einer Leitung kann am Austritt höchstens Schallgeschwindigkeit erreicht werden.
178
8 Strömung kompressibler Fluide
Am Anfangszustand 1' ist die Strömungsgeschwindigkeit größer als Schallgeschwindigkeit. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss die Geschwindigkeit abnehmen, was nur bis zur Schallgeschwindigkeit möglich ist. Der Druck erhöht sich bei reibungsbehafteter, adiabater Überschallströmung in einer Leitung konstanten Querschnitts. Bei Überschallströmung können senkrechte Verdichtungsstöße auftreten (Bild 8.6), in denen sich innerhalb der freien Weglänge der Moleküle Druck und entsprechende Zustandsgrößen schlagartig verändern. Im Diagramm (Bild 8.5) erfolgt die Zustandsänderung von Punkt 1' zu Punkt 2. Sie ist mit Dissipation verbunden. Die Geschwindigkeit wird dabei kleiner als die Schallgeschwindigkeit, der Druck erhöht sich. Mit Hilfe der Raleigh-Linien [8.1, 8.2], auf die hier allerdings nicht eingegangen wird, kann gezeigt werden, dass ein Verdichtungsstoß nur aus der Überschall- zur Unterschallströmung möglich ist. dx c1 Ma 1 > 1 p
c2 Ma 2 < 1 Verdichtungsstoß
x
Bild 8.6: Senkrechter Verdichtungsstoß
Wichtige Unterschiede bei der Änderung der Zustandsgrößen adiabater Unterund Überschallströmung in einer Leitung konstanten Querschnitts sind: Druck Temperatur Geschwindigkeit Entropie
Unterschall abnehmend abnehmend zunehmend zunehmend
Überschall zunehmend zunehmend abnehmend zunehmend
BEISPIEL 8.3: Untersuchung des Druckverlustes in einem geraden Rohr In einem geraden, 4 m langen Stahlrohr mit 50 mm Innendurchmesser und der Rauigkeitshöhe von 0,1 mm strömt Luft. Sie wird aus einem Behälter mit dem Druck von 2 bar bis zum Rohreintritt isentrop beschleunigt. Zu bestimmen sind: a) der Druckverlust im Rohr für die Machzahlen 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 und 0,4 b) der Reibungsdruckverlust für inkompressible Strömung mit mittleren Stoffwerten b) der Massenstrom, wenn der Druck am Ende des Rohrs 0,98 bar beträgt.
179
8 Strömung kompressibler Fluide
Lösung Luft
Schema
Siehe Skizze
p0 = 2 bar T0 = 300 K 1
2
4m
Annahmen • • •
Der Isentropenexponent wird als konstant κ = 1,4 angenommen. Die Strömungsvorgänge sind stationär. Nur die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird berücksichtigt.
Analyse a) Hier wird der Rechnungsweg bei der Machzahl 0,4 ausführlich beschrieben, die Rechenergebnisse mit anderen Machzahlen werden tabellarisch angegeben. Zunächst ermittelt man für die gegebene Machzahl Ma1 die Temperatur, den Druck und die Dichte am Punkt 1. Die Temperatur kann mit Gl. (8.12) berechnet werden. T1
T0 N 1 1 Ma12 2
Da die Zustandsänderung isentrop ist, gelten für den Druck und die Dichte:
p1
p0 (T1 / T0 )N / (N 1)
U1
p1 R T1
Mit der Geschwindigkeit am Rohreintritt werden die Reynolds- und Rohrreibungszahl bestimmt. Mit Gl. (8.22) kann die Länge l*, bei der die Schallgeschwindigkeit erreicht wird, ermittelt werden. Gl. (8.22) ist nicht nach l* auflösbar, deshalb ist die Machzahl Ma2 für die Länge l*2 = l*1 – l iterativ zu bestimmen. Mit der Machzahl kann man Temperatur, Druck und Dichte an Stelle 2 berechnen. Die mittleren Werte für Geschwindigkeit, Temperatur, Reynoldszahl, Rohrreibungszahl und Machzahl Ma2 müssen neu bestimmt werden. Die Rechnung wird wiederholt, bis die erforderliche Genauigkeit erreicht ist. Hier wird nur die Berechnung für Ma1 = 0,4 gezeigt, die Werte für andere Machzahlen folgen später tabellarisch. T0
T1 1
N 1 2
Ma12
300 K 1 0,2 0,4 2
290,7 K
180
8 Strömung kompressibler Fluide
p1
(T1 / T0 )N /(N 1) p0 p1 R T1
U1
(290,7 / 300)1,4 / 0, 4 2 bar 1,7912 bar
1,7912 10 5 Pa 287 J/(kg K) 290,7 K
2,147 kg/m 3
Die Reynoldszahl wird mit der dynamischen Viskosität der Luft am Eintritt des Rohrs bestimmt, die nach Tabelle A4 bei 17,55 °C 17,9 . 10-6 kg/(m s) beträgt. Die Reynoldszahl wird in eine für weitere Berechnungen günstigere Form gebracht.
Re1
c1 d U1
Ma1 N R T1 d p1
Ma1 N d p1
K1
K1 R T1
K1 R T1
0,4 1,4 1,7912 10 5 Pa 0,05 m
821' 122
17,9 10 6 Pa s 287 290,7 J/kg
Da Re . k/d = 1'640 ist, wird die Rohrreibungszahl von der Reynoldszahl unabhängig und mit Gl. (6.35) bestimmt.
O
>2 log(3,715 d / k )@2
[2 log(3,715 50 / 0,1)]2
0,0234
Aus Gl. (8.22) erhalten wir für die Länge l*1: l*1
d °1 Ma 2 N 1 ª (N 1) Ma 2 º ½° ® ln « 2 »¾ O °¯ N Ma 2 2 N ¬ 2 (N 1) Ma ¼ °¿
0,05 m ª 0,84 2,4 § 2,4 0,4 2 « ln¨ 0,0234 «¬ 0,224 2,8 ¨© 2 0,4 0,4 2
·º ¸» ¸ ¹»¼
4,934 m
Jetzt muss die Machzahl Ma2 ermittelt werden, bei der bei 0,933 m die Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Mit Mathcad errechnet man für Ma2 den Wert von 0,614. Die Temperatur T2 kann mit Gl. (8.12) bestimmt werden. T2
T0 N 1 1 Ma 22 2
300 K 1 0,2 0,614 2
278,95 K
Die Geschwindigkeit ist an Stelle 2: c2
Ma 2 N R T2
205,6 m/s
Der Druck an Stelle 2 berechnet man mit Gl. (8.27).
181
8 Strömung kompressibler Fluide
p2
Ma1 Ma2
1/ 2
§ 2 (N 1) Ma12 · ¸ ¨¨ 2 ¸ © 2 (N 1) Ma 2 ¹
p1
1/ 2
0,4 § 2 0,4 0,4 2 · ¸ ¨ 0,614 ¨© 2 0,4 0,614 2 ¸¹
1,7912 bar
1,1431 bar
Jetzt müssen die Reynoldszahl an Stelle 2 und die Rohrreibungszahl neu berechnet werden. Bei 279 K beträgt die dynamische Viskosität 17,4 . 10-6 Pa . s. Re1
Ma1 N d p1
0,614 1,4 1,1431 10 5 Pa 0,05 m
K1 R T1
17,4 10 6 Pa s 287 278,97 J/kg
843'369
Damit ist die Rohrreibungszahl von der Reynoldszahl unabhängig und bleibt unverändert. Der Druckverlust beträgt p1 – p2 = 0,649 bar. Zum Vergleich ist jetzt noch der Reibungsdruckverlust für die Luft als inkompressibles Medium mit den mittleren Werten der Dichte und Geschwindigkeit zu berechnen. Dabei wird die relativ kleine Änderung der Temperatur nicht berücksichtigt, d. h., T1 = T2.
Um
U1 U 2 2
1 § p1 p2 · p2 p1 ¸| cm ¨ 2 R ¨© T1 T2 ¸¹ 2 R T1
c1
U1 Um
c1
2 p1 p 2 p1
Die inkompressible Druckänderung ist:
p1 p2
l cm2 U m 2 d
O
p12 p22
l c12 d R T1
O
p12 c12 l d ( p1 p2 ) R T1
O
l d
O N p12 Ma12
· § ¨1 1 O l N Ma12 ¸ p1 ¸ ¨ d ¹ © · § ¨1 1 0,0234 4 1,4 0,16 ¸ 1,7912 bar 0,426 bar ¸ ¨ 0,05 ¹ © p1 p2
Die Druckdifferenz zwischen den Stellen 1 und 2 beträgt 0,649 bar, sie ist also wesentlich größer als der als inkompressibel errechnete Reibungsdruckverlust.
182
8 Strömung kompressibler Fluide
Ma1
T1 K 299,9 299,4 297,6 294,7 290,7
0,05 0,10 0,20 0,30 0,40
ρ1 l*1 Ma2 kg/m3 m 2,320 561,4 0,0502 2,311 138,2 0,1014 2,277 30,5 0,2123 2,222 11,2 0,3517 2,147 4,9 0,6143
p1 bar 1,997 1,986 1,945 1,879 1,791
p2 ρ2 ∆p bar kg/m3 Pa 1,989 2,312 657 1,959 2,279 2'657 1,832 2,146 11'360 1,597 1,901 27'757 1,143 1,427 64'865
T2 K 299,8 299,4 297,3 292,8 278,9
∆ pv Pa 677 2'665 10'599 24'278 48'996
b) Zur Berechnung des Massenstroms bei einem Austrittsdruck von 0,98 bar muss die Machzahl am Eintritt so lange variiert werden, bis der Druck an Stelle 2 den Wert von 0,98 bar erreicht. Solche Berechnungen werden sinnvollerweise mit Programmen wie Mathcad, Maple oder Excel durchgeführt. Nachstehend folgt die Berechnung mit Mathcad. An Stelle 1 erhalten wir die Werte: Ma1 = 0,41655
ρ1 = 2,133 kg/m3
T1 = 289,9 K
Die Geschwindigkeit c1 ist damit: c1
Ma1 N R T1
0,41655 1,4 287 289,9
142,17 m/s
Der Massenstrom beträgt:
c1 U1 A1 142,17 m/s 2,133 kg/m3 0,25 ʌ 0,052 m 2
m
Mathcad-Berechnung: 5
Beispiel 8.3: Druckverlust in einem geraden Rohr L0 4 m
d 50 mm k 0.1 mm
a)
Ma 1 0.4
T1 Ma 1
T0
U1 Ma 1
A
d
T1 Ma 1
2
1 0.5 N 1 Ma 1
k
kd
p 1 Ma 1 U1 Ma 1 R T1 Ma 1
p0 2 bar
2.147
S 4
d
290.698K
kg 3
m
O 0.02
Vorgabe
O 3( kd)
2 N
· N 1
§
T1 Ma 1
©
T0
p 1 Ma 1 p 0 ¨
T T1 Ma 1
Vorgabe O
T0 300 K
¹
T
Re Ma 1
O
0 if ( kd
§ 2 log§ 2.51 · · ¨ ¨ © © Re O ¹ ¹ 0)
( 2 log ( 0.269 kd) )
2
otherwise
K( T) R T1 Ma 1
Re Ma 1
§ 2 log§ 2.51 0.269 kd · · ¨ ¨ © © Re O ¹¹
1.791bar
290.698K
Ma 1 N p 1 Ma 1 d
Re Re Ma 1 O 0.02
N 1.4
kg K
p 1 Ma 1
( 18.2 17.1) ( T 273.15 K) º 6 K( T) ª« 17.1 » 10 Pa s 25 K ¬ ¼
J
R 287
bar 10 Pa
2
O 1( Re kd) suchen O
2
O 2( Re) suchen O
0,595 kg/s
8 Strömung kompressibler Fluide 64
O ( Re kd)
laminare Strömung
if Re d 2320
Re
.25
0.3164Re
5
if 2320 Re 10 ( Re kd d 65)
Übergangsbereich
O 1( Re kd) if ( 65 kd Re d 1300) 5 if Re t 10 ( Re kd d 65)
O 2( Re)
glatt, turbulent nach Prandtl rau
O 3( kd) otherwise O 1 O ( Re kd)
d
Lx Ma 1
0.023
O1
ª 1 Ma
«
2
1
Ma 0.3
1 N
2 O1 « ¬ N Ma 1 L Ma 1 Lx Ma 1 L0
2 N
¨
¨ 1.4 Ma 2 ©
2
O1
Ma 2 Ma 1
300
§ 1 Ma 2
d
L Ma 1
Ma 2 Ma 1 suchen ( Ma )
ª 1 N Ma 2 º º 1 »» « 2 N 1 Ma 2 » » 1 ¼¼ ¬
ln«
Vorgabe
T2 Ma 1
2.4 2.8
§ 2.4 Ma 2 · · ¨ 2 0.4 Ma 2 © ¹¹
ln¨
K
2
©
0.5
p 2 Ma 1
Ma 2 Ma 1 N p 2 Ma 1 d
1.427
U2
kg 3
m
845582
Rem Ma 1
K T2 Ma 1 R T2 Ma 1
1.143bar
¹ p 2 Ma 1 U2 T2 Ma 1 R
Rem Ma 1
278.948K
T2 Ma 1
1 0.2 Ma 2 Ma 1
4.93453441m
Lx Ma 1
0.614281
§ 2 0.4 Ma · Ma 1 1 ¨ p2 Ma 1 p1 Ma 1 Ma 2 Ma 1 ¨ 2 2 0.4 Ma 2 Ma 1
galtt, turbulent nach Balsius
cm Ma 1 0.5 Ma 1 1.4 T1 Ma 1 R Ma 2 Ma 1 1.4 T2 Ma 1 R O 2 Ma 1 O Rem Ma 1 kd
Um Ma 1
0.5 R
§ p2 Ma 1
¨
© T2 Ma 1
'p v Ma 1
2
O m Ma 1
171.179
cm Ma 1
T1 Ma 1
O m Ma 1 0.5 O 1 O 2 Ma 1
'p v Ma 1 O m Ma 1
· ¹
p1 Ma 1
m
Um Ma 1
s
1.787
p1 Ma 1 p2 Ma 1 0.649bar
'p Ma 1
4
4.9 u 10 Pa
'p Ma 1
Ma 1 ( 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 ) i 0 4
·
0 i¹ © bar 0.00657
b)
p 2( 0.416551)
'p v§ Ma 1 0.02665
0.11136
0.10599
0.27757
0.24278
0.64865
0.48996
Ma 2( 0.416551)
c1 0.416551 N R T1( 0.416551) ma c1 A U1( 0.416551)
c1
·
0 i¹
©
0.00677
0.02657
0.98bar
3
0.0234
L0 c m Ma 1 Um Ma 1 d 2
'p§ Ma 1
kg m
bar
0.73 142.176
T1( 0.416551) m s
289.938K
ma
0.595
kg s
183
184
8 Strömung kompressibler Fluide
Diskussion Der Einfluss der Kompressibilität kann bei Machzahlen, die kleiner als 0,2 sind, bei der Berechnung des Druckverlustes vernachlässigt werden. Bei größeren Machzahlen wird der Einfluss immer stärker. Die hergeleiteten Gleichungen erlauben die Berechnung der kompressiblen Strömung unter den Annahmen, dass das Fluid ein ideales Gas und der Isentropenexponent konstant sind. Die Änderung des Isentropenexponenten mit der Temperatur kann iterativ berücksichtigt werden. Mit der errechneten Temperatur bestimmt man die mittlere spezifische Wärmekapazität und den Isentropenxponenten. Die Berechnung ist bis zum Erreichen der gewünschten Genauigkeit zu wiederholen. Bei realen Gasen sind nur nummerische Lösungen mit Computerprogrammen möglich.
8.3
Strömung in Kanälen veränderlichen Querschnitts
8.3.1
Einfluss der Machzahl
Aus der Kontinuitätsgleichung erhalten wir: dm dx
d (c U A) dx
0
Dies kann in folgender Form geschrieben werden: 1 dU 1 dA 1 dc U dx A dx c dx
0
(8.29)
Für die isentrope Strömung liefert die Bernoulli-Gleichung:
U c
dc dx
dp dx
Unter Berücksichtigung, dass a2 = dp/dρ ist, erhalten wir: c dc a 2 dx
1 dU U dx
Damit kann dρ/ρ in Gl. (8.29) ersetzt werden. 1 dc c dx
1 1 dA 2 Ma 1 A dx
(8.30)
Aus Gl. (8.30) ist ersichtlich, dass die Geschwindigkeit bei der Unterschallströmung mit zunehmendem Strömungsquerschnitt abnimmt. Dies stimmt mit unseren
185
8 Strömung kompressibler Fluide
bisherigen Erfahrungen mit inkompressiblen Fluiden überein. Bei Überschallströmung nimmt die Geschwindigkeit mit zunehmendem Strömungsquerschnitt zu. Bei kompressibler Unterschallströmung nimmt die Geschwindigkeit in einem Strömungskanal mit zunehmendem Strömungsquerschnitt ab, bei abnehmendem Querschnitt zu. Bei kompressibler Überschallströmung nimmt die Geschwindigkeit in einem Strömungskanal mit abnehmendem Strömungsquerschnitt ab, bei zunehmendem Querschnitt zu. In einem konvergent-divergenten Kanal kann eine Unterschallströmung an der engsten Stelle bis zur Schallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend weiter auf Überschallgeschwindigkeit gebracht werden. Wird an der engsten Stelle keine Schallgeschwindigkeit erreicht, erfolgt danach ein Abbremsen der Strömungsgeschwindigkeit. Hat die Strömung am Eintritt Überschallgeschwindigkeit, sinkt sie bis zur engsten Stelle auf Schallgeschwindigkeit und wird dann je nach Druckverhältnis beschleunigt oder abgebremst (siehe 8.4.1.2). Dieses Verhalten wird mit Gl. (8.30) beschrieben. Erreicht die Machzahl den Wert 1, muss die Querschnittsänderung dA/dx null werden, da sonst der Geschwindigkeitsgradient unendlich wird, was physikalisch unmöglich ist. dA = 0 dx
dA = 0 dx
c
c
x
Bild 8.7: Kompressible Strömung in Kanälen veränderlichen Strömungsquerschnitts
Ist in einem divergent-konvergenten Kanal die Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt kleiner als Schallgeschwindigkeit, kann später nur eine Unterschallströmung auftreten. Ist die Strömung am Eintritt im Unterschallbereich, wird sie zunächst abgebremst. Bei nachfolgender Beschleunigung im konvergenten Kanal kann bei entsprechendem Druckverhältnis Schallgeschwindigkeit erreicht werden, wenn die Querschnittsänderung wieder zu null wird. Ist die Strömung am Eintritt im Überschallbereich, wird die Geschwindigkeit erhöht und die Machzahl erreicht an der breitesten Stelle einen maximalen Wert.
186
8 Strömung kompressibler Fluide
8.3.2
Ausströmung aus einem Behälter
Bei der Ausströmung aus einem Behälter wird im betrachteten Fall (Bild 8.8) ein großer Behälter angenommen, in dem die Geschwindigkeit gleich null ist. Damit entsprechen die Zustandsgrößen im Behälter den Stagnationswerten p0, T0, r0 und h0. Der Behälter hat eine Öffnung mit dem Querschnitt A. Außerhalb des Behälters herrscht der Umgebungsdruck pa. Die Zustände am Austritt des Behälters werden ohne Indizes angegeben. Das kompressible ideale Gas strömt aus dem Behälter in die Umgebung. Die Änderung der potentiellen Energie wird vernachlässigt. In den folgenden Abschnitten werden Ausströmgeschwindigkeit, austretender Massenstrom und kritische Strömung behandelt.
p
p0 T0 U0
T U A
pa
Bild 8.8: Ausströmung aus einem Behälter
8.3.2.1
Ausströmgeschwindigkeit
Als Erstes wird die Ausströmgeschwindigkeit c am Austritt berechnet. Da bei diesem Strömungsvorgang keine Arbeit ins System transferiert wird, lautet die Energiebilanzgleichung:
0
h h0 0,5 c 2
(8.31)
Bezeichnen wir die ideale Ausströmgeschwindigkeit, die bei isentroper Expansion entsteht, mit cs, erhalten wir für die reibungsbehaftete Austrittsgeschwindigkeit c mit der Geschwindigkeitsziffer ϕ: c
M cs
M 2 ( h0 hs )
M 2 'hs
2 ( h0 h)
(8.32)
Bei idealen Gasen kann die Änderung der Enthalpie aus der Temperaturänderung bestimmt werden. c
M
2 N R (T0 Ts ) N 1
2 N R (T0 T ) N 1
(8.33)
Die Temperatur Ts bei isentroper Zustandsänderung ergibt sich aus der Druckänderung.
187
8 Strömung kompressibler Fluide
§ p · T0 ¨¨ ¸¸ © p0 ¹
Ts
N 1 N
(8.34)
Damit ist die Ausströmgeschwindigkeit:
c
8.3.2.2
N 1 ª º § p ·N » 2 N « M R T0 «1 ¨¨ ¸¸ » N 1 © p0 ¹ » ¬« ¼
(8.35)
Austretender Massenstrom
Der aus dem Behälter austretende Massenstrom ist:
m
A c U
(8.36)
Die Dichte in Gl. (8.36) ist die Dichte am Austritt. Sie kann aus der Zustandsgleichung idealer Gase ermittelt und eingesetzt werden. m
Ac
p R T
(8.37)
Durch Einsetzen der Geschwindigkeit c aus Gl. (8.33) erhält man nach Umformungen:
m
2
A p0
2 N § p · T0 § T0 · ¨¨ ¸¸ ¨ 1¸ N 1 © p0 ¹ T © T R T0 ¹
2 N A p R (T0 T ) R T N 1
(8.38)
In dieser Gleichung ist das Temperaturverhältnis T0/T noch unbekannt, kann jedoch aus der Definition der Geschwindigkeitsziffer ϕ ermittelt werden. Aus Gl. (8.33) erhält man: T0 T
1 1 M 2 (1 Ts / T0 )
(8.39)
Das Temperaturverhältnis Ts/T0 kann aus Gl. (8.34) eingesetzt werden und ergibt: T0 T
1 1 M 1 ( p / p0 ) (N 1) / N 2
>
@
(8.40)
Für das Druckverhältnis wird vereinfachend π = p/p0 eingeführt und Gl. (8.40) in Gl. (8.38) eingesetzt.
188
8 Strömung kompressibler Fluide
m
A
º p0 2 ª M S N « (1 S (N 1) / N ) » 2 (N 1) / N ) N 1 R T0 ¬«1 M (1 S ¼»
(8.41)
Wie aus Gl. (8.41) zu sehen ist, hängt der Massenstrom nur vom Zustand des Gases im Behälter, vom Isentropenexponenten und vom Druckverhältnis ab. Der Ausdruck in den eckigen Klammern in Gl. (8.41) wird als Ausflussfunktion Ψ bezeichnet.
<
S M N (1 S (N 1) / N ) 1 M 2 (1 S (N 1) / N ) N 1
(8.42)
Für die isentrope Strömung erhält man einen vereinfachten Ausdruck:
<s
N 1 § 2 · ¨S N S N ¸ ¨ ¸ N 1 © ¹
N
(8.43)
Der Massenstrom läßt sich durch folgende einfache Gleichung beschreiben: m
A p0 2 R T0
<
A 2 U 0 p 0 <
(8.44)
Bei der Bestimmung des Massenstroms müssen außer der Reibung auch noch die Strahleinschnürung durch die Kontraktionszahl α berücksichtigt werden. Sie gibt an, welche Querschnittsfläche für die Strömung wirklich zur Verfügung steht. m
8.3.2.3
A D p0 2 R T0
<
A D 2 U 0 p 0 <
(8.45)
Kritisches Druckverhältnis
Bild 8.9 zeigt die Ausflussfunktion. Wie zu sehen ist, nehmen mit abnehmendem Druckverhältnis die Ausflussfunktion und damit der Massenstrom zunächst zu und dann wieder ab. Dieses Verhalten ist unverständlich, da zu erwarten wäre, dass mit abnehmendem Austrittsdruck der Massenstrom zunimmt. In Wirklichkeit steigt der Massenstrom mit abnehmendem Druckverhältnis bis zu einem Maximum der Ausflussfunktion an und bleibt dann konstant. Der Massenstrom aus einem Druckbehälter konstanten Innendruckes nimmt mit abnehmendem Austrittsdruck zunächst zu und bleibt dann ab einem bestimmten Austrittsdruck konstant.
189
8 Strömung kompressibler Fluide
Dieser Druck wird kritischer Druck bzw. das Druckverhältnis kritisches Druckverhältnis genannt. Das Maximum der Ausflussfunktion bestimmt das kritische Druckverhältnis. 0,5
M 1
Maximum
0,9
N 1,4
0.8 0,4
Ausflussfunktion <
0,5 0,3
0,2
0,1
0
0
0,4 0,6 Druckverhältnis p /p
0,2
0,8
1,0
Bild 8.9: Ausflussfunktion für κ = 1,4
d< dS
2
N 1 N
N 1 N 1 ª º 1 M 2 (1 S N ) » « N 0 (8.46) N 1 N 1 N 1 » « 2 2 2 N N N 1 M (1 S ) 1 M (1 S ) «¬1 M (1 S ) »¼ 2
2 M (1 S
N 1 N )
S
M 2
Für das kritische Druckverhältnis erhalten wir: N
§ p· ¨ ¸ ¨p ¸ © 0 ¹ krit
ª M 2 1 3 N (1 M 2 ) º N 1 « » 2 2 M (N 1) « » « » 2 2 2 2 « §¨ M 1 3 N (1 M ) ·¸ 2 N (1 M ) » « ¨ ¸ M 2 (N 1) » 2 M 2 (N 1) ¹ ¬ © ¼
(8.47)
Für die isentrope Ausströmung mit ϕ = 1 erhält man einen einfacheren Ausdruck: § p · ¨ ¸ ¨p ¸ © 0 ¹ krit , s
N
§ 2 · N 1 ¨ ¸ © N 1¹
(8.48)
190
8 Strömung kompressibler Fluide
0,64
kritisches Druckverhältnis
0,62 0,60 0,58
1,2 1,3
0,56
N 1,4
0,54 0,52
0
0,2
0,4 0,6 Geschwindigkeitsziffer M
0,8
1,0
Bild 8.10: Kritisches Druckverhältnis nach Gl. (8.47)
Wird das kritische Druckverhältnis in Gl. (8.41) eingesetzt, erhalten wir das Maximum der Ausflussfunktion. Das kritische Druckverhältnis kann mit Gl. (8.47) berechnet oder aus dem Diagramm in Bild 8.10 abgelesen werden. Für die isentrope Ausflussfunktion ergibt sich: 1
< krit , s
8.3.2.4
N § 2 · N 1 ¨ ¸ N 1 N 1 © ¹
(8.49)
Kritischer Massenstrom und kritische Geschwindigkeit
Der kritische Massenstrom kann aus Gl. (8.41) direkt bestimmt werden, indem dort der Wert der kritischen Ausflussfunktion eingesetzt wird. m krit
(8.50)
D A 2 U 0 p 0 < krit
Für die allgemeine Berechnung von Ψkrit wird hier keine geschlossene Funktion angegeben, weil die Gleichung sehr groß und unübersichtlich ist. Es ist besser, das kritische Druckverhältnis aus Gl. (8.47) zu berechnen und den Zahlenwert in Gl. (8.42) einzusetzen. Für die isentrope Zustandsänderung erhalten wir: 1
m krit , s
A 2 U 0 p0 < krit , s
N § 2 · N 1 A 2 U 0 p0 ¨ ¸ (8.51) N 1 © N 1¹
Der kritische Massenstrom kann mit der Ausflussziffer µ = α . ϕ und mit der isentropen kritischen Ausflussfunktion vereinfacht berechnet werden.
191
8 Strömung kompressibler Fluide
1
m krit
P A 2 U 0 p0 < krit , s
N § 2 · N 1 P A 2 U 0 p0 ¨ ¸ (8.52) N 1 © N 1¹
Diese einfachere Berechnung berücksichtigt jedoch nicht die korrekte reibungsbehaftete Änderung der Dichte. Die kritische Ausströmgeschwindigkeit ist gleich der Schallgeschwindigkeit, bezogen auf den Zustand des Gases am Austritt. Aus einer Austrittsöffnung mit plötzlicher Querschnittserweiterung kann ein Gas höchstens mit Schallgeschwindigkeit strömen. 8.3.2.5
Strömungsvorgänge bei kritischer Strömung
Bei der Strömung inkompressibler Fluide ist der Druck am Austritt aus einer plötzlichen Querschnittserweiterung gleich dem Druck der Umgebung. Direkt am Austritt bleibt der Querschnitt des Strahls konstant. Ebenso verhält sich die unterkritische Strömung kompressibler Fluide. Bei kritischer Strömung ist der Druck am Austritt größer als der der Umgebung und der Strahl platzt auf. Dieses Aufplatzen wird durch den Druck im Strahl, der höher ist als der der Umgebung, bewirkt. Bild 8.11 zeigt den Strömungsvorgang und Druckverlauf bei unterkritischer und kritischer Strömung. unterkritisch
kritisch pU
pU p0
c
c=a
p0
p = pU p0
p
p0
p = pU
p p p
x
U
x
Bild 8.11: Strömungsbild und Druckverlauf
BEISPIEL 8.4: Kritische Ausströmung aus einem Behälter In einem Behälter befindet sich Luft mit dem Druck von 4 bar und einer Temperatur von 300 K. Der Druck der Umgebung ist 1 bar. Aus einer Öffnung mit 0,1 cm2 Querschnitt strömt die Luft aus. Die Geschwindigkeitsziffer ist 0,95, die Kontraktionszahl 0,9. a) Bestimmen Sie den Druck am Austritt und den austretenden Massenstrom. b) Bestimmen Sie den Massenstrom mit Gleichung (8.52).
192
8 Strömung kompressibler Fluide
Lösung Schema
Luft
Siehe Skizze
p0 = 4 bar
Annahmen
pU = 1 bar
T0 = 300 K
Der Isentropenexponent wird als konstant κ = 1,4 angenommen. Die Strömungsvorgänge sind stationär, d. h., im Behälter ist der Druck konstant.
• •
Analyse a) Um festzustellen, ob die Strömung kritisch oder unterkritisch ist, wird zunächst das kritische Druckverhältnis mit Gl. (8.47) bestimmt. 1, 4
§ p · ¨ ¸ ¨p ¸ © 0 ¹ krit
ª 2 2 « 0,95 1 4,2 (1 0,95 ) 2 « 2 0 ,95 2, 4 ¬
§ 0,95 ¨¨ ©
2
2
1 4, 2 (1 0,95 ) · ¸¸ 2 2 0,95 2, 4 ¹
2
2,8 (1 0 ,95 2 0,95 2, 4
2
º 0, 4 )» » ¼
0,5419
Der Druck am Austritt wird damit 0,5419 . p0 = 2,168 bar. Er überschreitet den Wert des Außendruckes, d. h., die Strömung ist kritisch. Die Ausflussfunktion berechnet sich mit Gl. (8.42), indem dort das kritische Druckverhältnis eingesetzt wird. < krit
º ª 1,4 0,5419 2 1 « 1» 2 0 , 4 / 1, 4 2 0 , 4 / 1, 4 0,4 1 0,95 (1 0,5419 ) ¬ 1 0,95 (1 0,5419 ) ¼
Den Massenstrom erhalten wir aus Gl. (8.50).
m krit
D A 2 U 0 p0 < krit
0,9 10 5 m 2 4 10 5 Pa 2 287 J/(kg K) 300 K
b)
D A p0 2 R T0 0,4514
< krit
0,00783
kg s
Die Berechnung des Massenstroms mit Gl. (8.52) ergibt: 1
m krit
P A p0 2 § 2 · N 1 N ¨ ¸ N 1 R T0 © N 1¹
0,00798
kg s
0, 4514
193
8 Strömung kompressibler Fluide
Diskussion Der Massenstrom und Druck am Austritt können sehr einfach bestimmt werden. In unserem Fall liefert die Näherungsgleichung einen zu großen Wert von etwa 2 %. Die Abweichungen werden mit zunehmender Reibung größer, die Ursache liegt in der durch Reibung verursachten höheren Temperatur. BEISPIEL 8.5: Unterkritische Ausströmung aus einem Behälter Der im Beispiel 8.4 berechnete Fall ist für einen Behälterdruck von 1,3 bar neu zu bestimmen. Lösung Annahmen und Schema sind gleich wie im Beispiel 8.4. Analyse a) Um festzustellen, ob die Strömung kritisch oder unterkritisch ist, wird zunächst das kritische Druckverhältnis mit Gl. (8.47) wie in Beispiel 8.4 bestimmt. § p · ¨ ¸ ¨p ¸ © 0 ¹ krit
0,5419
Der Druck am Austritt hat einen kleineren Wert als 0,5419 . p0 = 0,704 bar, d. h., die Strömung ist unterkritisch. Der Druck am Austritt ist gleich dem Außendruck von 1 bar. Die Ausflussfunktion wird mit Gl. (8.42) berechnet, indem man dort das Druckverhältnis von 1:1,3 = 0,7692 einsetzt.
<
1,4 0,7692 2 0,4 1 0,95 2 1 0,7692 0, 4 / 1, 4
§ · 1 ¨¨ 1¸¸ 2 0 , 4 / 1, 4 © 1 0,95 1 0,7692 ¹
0,3930
Der Massenstrom kann mit Gl. (8.45) berechnet werden. m
b)
A D p0 2 R T0
<
10 5 m 2 0,9 1,3 10 5 Pa 2 287 J/(kg K) 300 K
0,3930
0,00222 kg/s
Für die isentrope Ausflussfunktion erhalten wir aus Gl. (8.43):
<s
N 1 · § 2 ¨S N S N ¸ ¸ N 1 ¨© ¹
N
1,4 0,7692 2 / 1, 4 0,7692 2, 4 / 1, 4 0,4
0,4168
194
8 Strömung kompressibler Fluide
Diskussion Multipliziert man die Ausflussfunktion mit der Geschwindigkeitsziffer, erhält man 0,396. Der so berechnete Massenstrom ist um 0,7 % größer als der mit Gl. (8.42) exat berechnete Wert. 8.3.3
Entleeren eines Behälters
Das Entleeren eines mit Gas gefüllten Behälters ist ein instationärer Vorgang. Während des Entleerungsvorgangs verändert sich der Druck p0 im Behälter. Erfolgt die Entleerung adiabat und ohne Dissipation, also isentrop, verringert sich der Druck entsprechend der isentropen Zustandsänderung. Eine schnelle Entleerung des Behälters kann angenähert mit der isentropen Druckänderung im Behälter behandelt werden. Erfolgt die Entleerung sehr langsam und der Behälter ist nicht isoliert, wird sich die Temperatur des Gases im Behälter nicht verändern, d. h. isotherm ablaufen. Die Wirklichkeit liegt zwischen diesen beiden Vorgängen. Der Massenstrom kann nach Gl. (8.45) bestimmt werden. Der Ausfluss erfolgt je nachdem, ob die Strömung kritisch oder unterkritisch ist, nach unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten. Wird für die Ausflussfunktion Ψ Gl. (8.42) verwendet, erhält man sehr komplexe Gleichungen. Dann empfiehlt es sich, die Berechnung mit Computerprogrammen durchzuführen. Hier wird die isotherme und isentrope Druckänderung beim Entleeren eines Behälters mit der isentropen Ausflussfunktion Gl. (8.44) behandelt. 8.3.3.1
Isothermes Entleeren eines Behälters
Die zeitliche Massenänderung im Behälter entspricht dem Massenstrom. Die Masse im Behälter ist durch die thermische Zustandsgleichung idealer Gase gegeben.
dm dt
d § p V · ¨ ¸ dt ¨© R T0 ¸¹
m
(8.53)
Da die Temperatur und das Volumen des Behälters konstant sind, ändert sich mit der Zeit nur der Druck p0. m
dp V 0 R T0 dt
(8.54)
Der Massenstrom kann aus Gl. (8.44) eingesetzt werden.
dp V 0 R T0 dt
A
P p0 2 R T0
N 1 2 · § ¨ ( p / p0 ) N ( p / p0 ) N ¸ ¸ ¨ N 1 © ¹
N
(8.55)
195
8 Strömung kompressibler Fluide
Nach Separation der Variablen erhalten wir folgende Differentialgleichung:
dp0
A P 2 R T0
2 N 1 § · p0 ¨ ( p / p0 ) N ( p / p 0 ) N ¸ ¨ ¸ N 1 © ¹
V
N
dt
(8.56)
Zur Lösung muss unterschieden werden, ob die Strömung kritisch oder unterkritisch ist. Ist das Druckverhältnis pU/p0 kleiner als das kritische Druckverhältnis, dann ist es konstant und kann aus Gl. (8.48) eingesetzt werden. Damit erhalten wir für die kritische Ausströmung: dp 0 p0
N
A P 2 R T0 § 2 · N 1 N ¨ dt ¸ V 1 N 1 N © ¹
(8.57)
Ist der Druck im Behälter zur Zeit t = 0 gleich p00, wird die zeitliche Änderung des Druckes p0: p0
N § · N ¨ A P 2 R T0 § 2 · N 1 ¸ ¨ t ¸ p00 exp¨ ¸ N N V 1 1 © ¹ ¨ ¸ © ¹
Gl. (8.58) gilt, bis p0 den Wert p0
§ 2 · pU ¨ ¸ © N 1¹
N N 1
(8.58)
erreicht.
Wird das kritische Druckverhältnis unterschritten, ist der Austrittsdruck gleich groß wie der Umgebungsdruck pU und muss deshalb in Gl. (8.56) eingesetzt werden.
dp0
A P 2 R T0
2 N 1 § · p0 ¨ ( pU / p0 ) N ( pU / p0 ) N ¸ ¨ ¸ N 1 © ¹
V
N
dt
(8.59)
Zum Integrieren ersetzen wir das Druckverhältnis durch den dimensionslosen Druck π = pU / p0. Für dp0 erhalten wir dann:
S
pU p0
dS dp0
In Gl. (8.59) eingesetzt, ergibt es:
pU p02
dp0
p02 dS pU
196
8 Strömung kompressibler Fluide
A P N R T0 2 dt V N 1
dS 2 N 2
S
N
3 N 1
S
N
(8.60)
Die linke Seite der Gl. (8.60) kann nur nummerisch integriert werden. Auf der rechten Seite wird für den Bruch eine Zeitkonstante t0 gebildet, so dass die rechte Seite eine dimensionslose Zeit darstellt. A P N R T0 2 dt N 1 V
dt t0
dW
(8.61)
Die Zeit t0 ist das (N 1) / 2 -fache der Zeit, die bei der Temperatur T0 zum Entleeren des Volumens V mit Schallgeschwindigkeit benötigt wird. Gl. (8.60) integriert, ergibt: S2
dS
³
S1
2 N 2
S
N
3 N 1
S
W 2 W1
(8.62)
N
Bild 8.12 zeigt ein Diagramm mit nummerisch ermittelten Integralen für verschiedene Werte des Isentropenexponenten. Bei der dimensionslosen Zeit null entspricht das Druckverhältnis dem kritischen Druckverhältnis. Kleinere Werte dürfen hier nicht verwendet werden, weil die Strömung dann kritisch ist und Gl. (8.58) gilt. 1,5
1,0
1,4
0,9
1,3
0,8
N = 1,2
dimensionslose Zeit
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,5
0,6 0,7 0,8 0,9 Druckverhältnis der unterkritischen Strömung p 0 / pU
1,0
Bild 8.12: Diagramm der isothermen Ausströmzeit bei unterkritischer Strömung
197
8 Strömung kompressibler Fluide
Mit den dimensionslosen Zeiten, die aus dem Diagramm bei den Druckverhältnissen zu Beginn und am Ende der Ausströmung abgelesen werden, kann die Ausströmzeit bestimmt werden. Sie ergibt sich als Differenz beider dimensionsloser Zeiten, multipliziert mit der Zeit t0. Beim Druckverhältnis 1 gehen die Werte der dimensionslosen Zeiten gegen unendlich. Beginnt die Entleerung mit der kritischen Strömung, muss die Ausströmzeit zunächst bis zum Erreichen des kritischen Druckverhältnisses mit Gl. (8.58) ermittelt werden, anschließend die unterkritische Ausströmzeit bis zum Erreichen des Enddruckes. BEISPIEL 8.6: Entleeren einer Druckluftflasche Das Ventil einer Druckluftflasche mit 20 l Volumen wird versehentlich nicht vollständig geschlossen. Der Querschnitt der Ventilöffnung beträgt 0,1 mm2. Die Geschwindigkeitsziffer der Öffnung ist 0,3, die Kontraktionszahl 1. Der ursprüngliche Druck in der Flasche war 150 bar. Die Temperatur der Luft und die der Flasche sind 20 °C. Der Außendruck beträgt 0,98 bar. Die Temperatur in der Druckluftflasche ist konstant. a) Bestimmen Sie den Druck nach zwei Stunden. b) Bestimmen Sie, nach welcher Zeit der Druck auf 1,2 bar absinkt. Lösung Annahmen • •
Der Isentropenexponent wird als konstant κ = 1,4 angenommen. Die Temperatur ist in der Druckluftflasche konstant.
Analyse a) Die Strömung ist zunächst sicher kritisch. Mit Gl. (8.58) kann der Druck nach zwei Stunden bestimmt werden, wenn er größer als der kritische Druck ist.
p0
N § · N ¨ A P 2 R T0 § 2 · N 1 ¸ ¨ t ¸ p 00 exp¨ ¸ V N 1 ¸ © N 1¹ ¨ © ¹
Der mit kritischem Druckverhältnis berechnete Druck beträgt: p0
§ 2 · pU ¨ ¸ © N 1¹
Damit ist der berechnete Druck richtig.
N N 1
1,8551 bar
25,11 bar
198
8 Strömung kompressibler Fluide
b) Zur Berechnung der Zeit, die bis zum Absinken des Druckes auf das kritische Druckverhältnis notwendig ist, kann Gl. (8.58) umgeformt und nach der Zeit aufgelöst werden. ln ( p 00 / p 0 )
t
ln (150 / 1,8551) 0,2482 10 3 /s
N
A P 2 R T0 § 2 · N 1 N ¨ ¸ V N 1 © N 1¹
17'694 s
Zur Bestimmung der Zeit während der unterkritischen Ausströmung beginnen wir mit der Zeit null beim kritischen Druckverhältnis. Die dimensionslose Zeit, die beim Druckverhältnis 0,98/1,2 = 0,817 erreicht wird, ist nach dem Diagramm in Bild 8.12 0,514. Die Zeitkonstante beträgt: t0
N 1 2
V A P N R T0
0,02 m 3 0,4 7 2 10 m 0,3 2 1,4 287 293 m 2 /s 2
869 s
Damit ist die Zeit, die benötigt wird, um den Druck von 1,8551 bar auf 1,2 bar zu senken, 447 s. Die totale Zeit, in der der Druck von 140 bar auf 1,2 bar absinkt, wird: 18'140 s = 5 h 2 min. Diskussion Mit den angegebenen Formeln und dem Diagramm kann die Ausströmzeit einfach bestimmt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass die Temperatur im Behälter konstant bleibt. 8.3.3.2
Isentropes Entleeren eines Behälters
Für das isentrope Entleeren eines Behälters gilt auch Gl. (8.55), nur dass die Temperatur dort nicht mehr konstant ist. Die Änderung der Stagnationstemperatur T0 mit dem Stagnationsdruck p0 entspricht jener der isentropen Zustandsänderung. Sie ist: T0
T00 ( p0 / p00 )
N 1 N
(8.63)
Damit und mit den Druckverhälnissen p/p0 = π erhalten wir aus Gl. (8.55): dp 0 dt
A P p0 2 R T00 ( p0 / p00 ) V
Für die kritische Strömung gilt:
N 1 N
N 1 § 2 · ¨S N S N ¸ ¸ N 1 ¨© ¹
N
(8.64)
199
8 Strömung kompressibler Fluide
N
P 2 R T00 § 2 · N 1 N A ¨ dt ¸ N 1 N 1 © N 1¹ V p 2 N
dp0 N 1
p 0 2 N
(8.65)
00
Gleichung (8.65) kann nach Separation der Variablen integriert werden und ergibt: N 1
N
(N 1) P 2 R T00 § 2 · N 1 N ¨ t 1 A ¸ 2 N V N 1 © N 1¹
§ p00 · 2 N ¨ ¸ ¨ p ¸ © 0 ¹
(8.66)
Je nachdem, ob die Zeit oder der Druck gesucht wird, kann Gl. (8.66) entsprechend aufgelöst werden. Für die unterkritische Strömung wird das Druckverhältnis p0/pU = π in Gl. (8.64) eingesetzt.
dp 0 dt
A P p0 2 R T00 S
N 1 N
( pU / p00 )
N 1 N
V
N 1 § 2 · ¨S N S N ¸ ¸ N 1 ¨© ¹
N
Für das dimensionslose Druckverhältnis π = p0/pU erhalten wir: A P 2 R T00 ( pU / p00 )
dS
V
2 N 2 § N 3 · ¨S N S N ¸ ¨ ¸ N 1 © ¹
N
N 1 N
dt
(8.67)
Gleichung (8.67) ist nicht geschlossen integrierbar. Ähnlich wie bei isothermer Ausströmung kann eine nummerische Integration vorgenommen werden. Mit der dimensionslosen Zeit τ erhält man folgende Lösung:
W
A P 2 R T00 ( p00 / pU )
t t0
V S1
³
S2
dS N 1 § · ¨1 S N ¸ ¨ ¸ N 1 © ¹
N 1 N
t
(8.68)
W 2 W1
N
Die nummerische Lösung ist in Bild 8.13 dargestellt.
(8.69)
200
8 Strömung kompressibler Fluide
1.8
N 1,2 1,3 1,4 1,5
1,6
dimensionslose Zeit
1.4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Druckverhältnis der unterkritischen Strömung pU /p 0
Bild 8.13: Diagramm der isentropen Ausströmzeit bei unterkritischer Strömung
BEISPIEL 8.7: Schnelles Entleeren eines Druckbehälters Ein Druckbehälter für Luft mit 3 m3 Volumen wird über ein Ventil mit einer Querschnittsfläche von 0,001 m2 entleert. Die Geschwindigkeitsziffer ist 0,6 und die Kontraktionszahl 1. Der ursprüngliche Druck im Behälter war 2 bar und die Temperatur betrug 50 °C. Der Außendruck ist 0,98 bar, die Zustandsänderung im Behälter isentrop. a) Bestimmen Sie den zeitlichen Verlauf der Druckabnahme. b) Bestimmen Sie die Temperatur im Behälter beim Erreichen des Umgebungsdruckes. Lösung Annahmen • •
Der Isentropenexponent wird als konstant κ = 1,4 angenommen. Die Zustandsänderung im Behälter ist isentrop. Analyse
a) Die Strömung ist zunächst sicher kritisch. Bis zum Erreichen des kritischen Druckverhältnisses kann der Druckverlauf mit Gl. (8.66) bestimmt werden.
201
8 Strömung kompressibler Fluide
N 1
§ p00 · 2 N ¨ ¸ ¨ p ¸ © 0 ¹
N
(N 1) P 2 R T00 § 2 · N 1 N ¨ t 1 A ¸ 1 2 N V N 1 N © ¹
Nach Umformung erhalten wir: N 1
§ p00 · 2 N ¨ ¸ ¨ p ¸ © 0 ¹
p0
N
(N 1) P 2 R T00 § 2 · N 1 N ¨ t 1 A ¸ 2 N V N 1 © N 1¹
ª 0,4 0,001 0,6 2 287 323 § 2 ·3,5 p00 «1 ¨ ¸ 2,8 3 «¬ © 2,4 ¹
1,4 º t» 2,4 » ¼
2, 8 0,4
t § · p00 ¨¨1 ¸¸ © 201,41 s ¹
7
Der Druck im Behälter, bei dem das kritische Druckverhältnis erreicht wird, ist: N
§ N 1 · N 1 pU ¨ ¸ © 2 ¹
p0, krit
0,98 bar 0,52828
1,855 bar
Dieser Druck wird nach 2,1766 s erreicht. Anschließend erfolgt die Entleerung unterkritisch. Aus dem Diagramm in Bild 8.13 kann die dimensionslose Zeit für ein gegebenes Druckverhältnis abgelesen werden. Dort werden für die weiteren Berechungen die dimensionslosen Zeiten bei den Druckverhältnissen von 0,6 bis 0,99 in Schritten von 0,05 entnommen. In nachstehender Tabelle sind die berechneten Werte für die kritische und unterkritische Strömung aufgelistet. Zur Berechnung der Zeit t0 muss in Gl. (8.68) für den Druck p00 der Wert beim Erreichen des kritischen Druckes, also bei 1,855 bar, eingesetzt werden. Die Temperatur ist mit der isentropen Zustandsänderung zu berechnen.
T00
§ p0, krit ¨ ¨ p © 00
· ¸ ¸ ¹
N 1 N
323 K
§ 1,855 · ¨ ¸ © 2 ¹
0,2857
323 K
316,3 K
V
t0
A P 2 R T00 ( p00 / pU )
N 1 N
3 m3 0,001 m 2 0,6 2 287 316,1 (1,855/0,98) 0,2857 m 2 /s 2
10,712 s
202
8 Strömung kompressibler Fluide
Zeit t s 0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,1766 4,7911 6,4840 8,1127 9,7200 11,3272 13,0095 14,8417 17,0597 19,8242
Druck p0 bar 2,000 1,966 1,932 1,899 1,866 1,855 1,633 1,508 1,400 1,307 1,225 1,153 1,089 1,032 0,990
τ -
pU/p0 -
0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 0,99
0,244 0,402 0,554 0,704 0,854 1,011 1,182 1,389 1,647
τ . t0 s
2,6145 4,3074 5,9361 7,5434 9,1506 10,8329 12,6651 14,8831 17,6476
Der Druckverlauf ist grafisch dargestellt. 2,0
Druck in bar
1,8
1,6
1,4
1,2 pU
1,0 0
2
4
6
8
10 12 Zeit in Sekunden
14
16
18
20
b) Der Umgebungsdruck wird erst nach unendlich langer Zeit erreicht. Die Temperatur nähert sich damit dem Wert:
T
T00 ( pU / p00 ) (N 1) / N
(0,98 / 2) 0, 4 / 1, 4 323 K
236,4 K
Diskussion Die Berechnungen der Ausströmzeit und des Behälterdruckes sind sehr einfach möglich. Die isentrope Druckänderung im Behälter tritt nur bei kurzzeitiger Ausströmung auf.
8 Strömung kompressibler Fluide
8.4
203
Überschallströmung
In den vorgehenden Kapiteln wurde gezeigt, dass sich der Druck bei kompressibler Strömung in einer Querschnittsverengung am Austritt höchstens bis auf den kritischen Druck absenkt. Dabei kann die Geschwindigkeit dort Schallgeschwindigkeit erreichen. In einer nachgeschalteten, entsprechenden Düse kann die Geschwindigkeit auf eine höhere als Schallgeschwindigkeit gebracht werden. Wie zu erwarten ist, muss die Düse nicht konvergent, sondern divergent sein. Bei der Strömung mit Geschwindigkeiten, die über der Schallgeschwindigkeit liegen, erfolgen in einer allmählichen Querschnittserweiterung Druck- und Dichteänderung so, dass die Geschwindigkeit erhöht, der Druck verringert wird. In einer Querschnittsverengung sinkt dagegen die Geschwindigkeit und der Druck steigt. Wenn also die Geschwindigkeit in einer zunächst konvergenten Düse im engsten Querschnitt auf Schallgeschwindigkeit gebracht wird, kann die Geschwindigkeit in einer darauf folgenden divergenten Düse weiter erhöht werden. Solche Düsen wurden zum ersten Mal von dem Deutschen Körting in einer Dampfstrahlpumpe und dem Schweden de Laval in einer Dampfturbine eingesetzt. Nach Letzterem benannte man eine solche Düse Lavaldüse. 8.4.1
Lavaldüse
Bild 8.14 zeigt eine Lavaldüse mit dem Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in der Düse. Man setzt Lavaldüsen in Turbinen, Strahlpumpen, Raketentriebwerken und Überschallwindkanälen ein.
p0 T0
Ax
A min c kr
ca
p0
ca
ckr c0
p Ta a Aa
pkr
px
p =p a
u
x
Bild 8.14: Lavaldüse mit Druck- und Geschwindigkeitsverlauf
204 8.4.1.1
8 Strömung kompressibler Fluide
Berechnung der Lavaldüsen
Ist das Druckverhältnis klein genug, wird im konvergierenden Düsenabschnitt der Druck auf den kritischen Druck gesenkt, die Geschwindigkeit steigt im engsten Querschnitt auf Schallgeschwindigkeit an. Im divergierenden Düsenabschnitt wird der Druck weiter gesenkt, die Geschwindigkeit steigt an. Eine Lavaldüse ist für einen bestimmten Massenstrom und ein bestimmtes Druckverhältnis pa/p0 ausgelegt. Der für den isentropen Massenstrom notwendige kleinste Düsenquerschnitt kann mit Gl. (8.50) ermittelt werden.
Amin
m
P 2 p0 U 0 < krit
1
§ N 1 · N 1 N 1 ¨ ¸ N P 2 p0 U 0 © 2 ¹ m
(8.70)
Der Druck am engsten Querschnitt wird mit Gl. (8.47) berechnet. Die Geschwindigkeit am Austritt der Düse ist durch Gl. (8.35) gegeben. Der für den Massenstrom und das Druckverhältnis notwendige Austrittsquerschnitt kann mit der Ausflussfunktion bestimmt werden.
Aa
m
P 2 p0 U 0 <
(8.71)
Hat man ein h-s-Diagramm für das entsprechende Gas, kann das Enthalpiegefälle direkt abgelesen und die Geschwindigkeit am Austritt mit Gl. (8.18) berechnet werden. Die größte erreichbare Geschwindigkeit in einer Lavaldüse lässt sich aus Gl. (8.35) bestimmen. Man erhält sie, indem man das Druckverhältnis zu null setzt. Damit diese Geschwindigkeit erreicht wird, muss der Druck am Austritt gleich null werden. Dann hätte aber auch die Austrittstemperatur den Wert null und eine unendlich große Austrittsfläche wäre notwendig. Ist der Druckverlauf entlang der Düse vorgegeben, kann mit Gl. (8.72) der Strömungsquerschnitt der Düse bestimmt werden, indem dort in die Ausflussfunktion an Stelle x das entsprechende Druckverhältnis eingegeben wird.
Ax
m
P 2 p0 U 0 <
(8.72)
Bei einer nach diesen Kriterien ausgelegten Lavaldüse wird am Düsenaustritt gerade der Umgebungsdruck erreicht und die Geschwindigkeit entspricht der Auslegungsgeschwindigkeit.
205
8 Strömung kompressibler Fluide
8.4.1.2
Betriebsverhalten bei veränderlichem Gegendruck
Weicht der Ein- oder Austrittsdruck vom Auslegungswert ab, können Betriebsfälle auftreten, die für die Düse nicht optimal sind. Der Eintrittsdruck, das Druckverhältnis und der Massenstrom bestimmen die notwendige Geometrie der Düse. Verändert sich bei konstantem Austrittsdruck der Eintrittsdruck, verändern sich auch der Massenstrom und das Druckverhältnis. Wird bei konstantem Eintrittsdruck der Austrittsdruck verändert, bleibt der Massenstrom bei der kritischen Strömung konstant, das Druckverhältnis ändert sich, die Auslegung stimmt nicht mehr. Hier werden fünf Fälle gezeigt, die bei verschiedenen Austrittsdrücken auftreten können. Den für die Auslegung verwendeten Austrittsdruck bezeichnen wir mit paus (Bild 8.15).
p
1
Fall 1 Fall 2 Fall 3
p
pa pa Fall 4
Fall 5 pa p'a
pa
pa
aus
Bild 8.15: Betriebszustände der Lavaldüse
Fall 1:
pa > pkrit
Der Austrittsdruck ist höher als der kritische Druck. In der gesamten Düse ist die Strömungsgeschwindigkeit im Unterschallbereich. Sie verhält sich wie eine Venturidüse. Im engsten Strömungsquerschnitt wird der niedrigste Druck erreicht. Im divergierenden Teil der Düse verringert sich die Geschwindigkeit, der Druck wird erhöht. Der Massenstrom ist kleiner als der kritische Massenstrom. Fall 2:
pa > paus > pkrit
Der Austrittsdruck ist größer als jener bei der Auslegung und auch größer als der kritische Druck. Im engsten Düsenquerschnitt wird gerade die Schallgeschwindigkeit erreicht, im nachfolgenden divergenten Teil der Düse erfolgt jedoch eine Verdichtung. Der Massenstrom ist wie in allen folgenden Fällen der kritische Massenstrom.
206
8 Strömung kompressibler Fluide
Fall 3:
pa = paus < pkrit
Der Druck am Austritt entspricht dem Druck, für den die Düse ausgelegt ist. Im engsten Querschnitt wird Schallgeschwindigkeit erreicht. Im divergenten Teil erfolgt eine Entspannung auf den Auslegungsdruck. Die Düse ist "angepasst". Dieser Strahl tritt mit konstantem Querschnitt aus der Düse. pkrit > pa > paus
Fall 4:
Der Gegendruck p'a > paus wird vor dem Ende der Düse erreicht. Sie ist "unangepasst". In der Reststrecke der Düse erfolgt ein Verdichtungsstoß auf den Austrittsdruck. Hinter dem Verdichtungsstoß ist die Strömung im Unterschallbereich. Fall 5:
pkrit > paus > pa
Der Austrittsdruck ist tiefer als der Auslegungsdruck der Düse, er wird an deren Ende erreicht. Die Strömung innerhalb der Düse ist wie bei der Auslegung. Nach dem Austritt erfolgt eine Nachexpansion mit Strahlausbreitung. Die durch unangepassten Gegendruck auftretenden Verdichtungsstöße verursachen Schwingungen des Gasstrahls und erhebliche Strömungsverluste. 8.4.1.3
Konstruktive Gestaltung der Lavaldüsen
Der Verwendungszweck bestimmt den Verlauf des Strömungsquerschnitts einer Lavaldüse. Bei Strahlapparaten und Strahltriebwerken nimmt man bevorzugt kreisförmige Querschnitte. Damit sich die Strömung nicht ablöst, wählt man meist den Öffnungswinkel des divergenten Düsenteils unter 10°. Damit keine Strahleinschnürung eintritt und der Geschwindigkeitsbeiwert groß gehalten werden kann, wählt man den Abrundungsradius des konvergenten Teils möglichst groß. Bei Raketentriebwerken und sehr schnellen Überschallflugzeugen hat der divergente Teil oft eine etwas glockenförmige Gestalt. Bei den Regelstufen der Dampfturbinen wird durch geeignete Konturen der Turbinenschaufeln eine Lavaldüse gebildet. Bild 8.16 zeigt die Düsenformen von Raketentriebwerken und Dampfturbinen.
Brennkammer
Lavaldüse
A min
Bild 8.16: Lavaldüse eines Raketentriebwerks und einer Dampfturbine
207
8 Strömung kompressibler Fluide
BEISPIEL 8.8: Auslegen einer Lavaldüse Die Lavaldüse einer Rakete, in der Wasserstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, ist auszulegen. Die Verbrennung in der Brennkammer erfolgt bei 30 bar Druck und einer Temperatur von 2'500 K. Der Schub der Düse soll bei 0,98 bar Umgebungsdruck 10 kN betragen. Die Gaskonstante ist 461,5 J/(kg K), der Isentropenexponent 1,3, die Geschwindigkeitsziffer 1. a) Bestimmen Sie die Temperatur und Geschwindigkeit am Düsenaustritt. b) Bestimmen Sie den Durchmesser der Düse an der engsten Stelle und am Austritt. Lösung Annahmen Der Isentropenexponent ist konstant κ = 1,3. Da die Geschwindigkeitsziffer 1 ist, erfolgt die Zustandsänderung in der Düse isentrop. Der angegebene Zustand in der Brennkammer ist der Stagnationszustand.
• • •
Analyse a) ist:
Die Geschwindigkeit am Austritt kann mit Gl. (8.35) berechnet werden. Sie
ca
N 1 ª º N · § 2 N p « R T0 «1 ¨¨ ¸¸ »» N 1 © p0 ¹ » ¬« ¼
2'336,4 m/s
Die Temperatur am Austritt wird mit Gl. (8.33) bestimmt. Ta
T0
ca2 (N 1) 2 N R
2'500 K
0,3 2'336,42 m 2 /s 2 2 1,3 461,5 J/(kg K)
1'135 K
b) Um die Strömungsquerschnitte berechnen zu können, muss der Massenstrom, der für die Erzeugung von 10 kN Schub notwendig ist, mit Gl. (5.15) bestimmt werden. m
F ca
10'000 N 2'336,4 m/s
4,28 kg/s
Der Düsenquerschnitt an der engsten Stelle kann mit Gl. (8.70) berechnet werden.
208
8 Strömung kompressibler Fluide
N
Amin
m R T0 § N 1 · N 1 N 1 ¨ ¸ N 2 p0 © 2 ¹ 1,3
4,28 kg/s 461,5 2'500 m 2 /s 2 § 2,3 · 0,3 2,3 ¨ ¸ 1,3 2 30 10 5 Pa © 2 ¹
Der Durchmesser ist an der engsten Stelle: d min
0,00264 m 2
4 Amin
0,0580 m
S Aus der Kontinuitätsgleichung erhalten wir den Düsenquerschnitt am Austritt. Aa
m U a ca
m R Ta pa ca
4,28 kg/s 461,5 J/(kg K) 1'135 K 0,98 10 5 Pa 2 236,4 m/s
Damit wird der Durchmesser am Austritt: d a
4 Aa
S
0,01023 m 2
0,112 m
Diskussion Bei isentroper Zustandsänderung mit konstantem Isentropenexponenten ist die Berechnung einer Lavaldüse sehr einfach. Bei reibungsbehafteter Strömung und unter Berücksichtigung der Änderung des Isentropenexponenten wird die Berechnung komplex und muss mit entsprechenden Programmen durchgeführt werden. 8.4.2
Verdichtungsströmung
Zur Verdichtung von Gasen und zur Rückgewinnung kinetischer Energie von Fluiden hoher Strömungsgeschwindigkeiten werden Diffusoren verwendet. Wie bei der Lavaldüse gezeigt wurde, treten bei Überschallströmung in einer Erweiterung des Strömungsquerschnitts eine Geschwindigkeitserhöhung und Druckabnahme, also Expansion, auf. Bei Verengung des Strömungsquerschnitts treten bei Überschallströmung eine Absenkung der Geschwindigkeit und Erhöhung des Druckes, somit eine Verdichtung auf. Der Konfusor wird daher in der Literatur oft Überschalldiffusor genannt, obwohl er, geometrisch gesehen, ein Konfusor ist. Hier werden Gesetzmäßigkeiten für Verdichtungsströmungen in Unterschalldiffusoren und Überschallkonfusoren hergeleitet. 8.4.2.1
Unterschalldiffusor
Bild 8.17 stellt den Verdichtungsvorgang in einem Unterschalldiffusor dar.
209
8 Strömung kompressibler Fluide
h
p2
p T
p
c
1
T2 c
1
T1
' hs
'h
T 2s
p
1
a c1 p2 c2 p
T1
s
1
Bild 8.17: Verdichtung in einem Unterschalldiffusor
Die Geschwindigkeit am Austritt des Diffusors beträgt: ca
M c12 2 c pm (T2 T1 )
(8.73)
Der Wirkungsgrad des Diffusors ist gegeben als:
K Diff
'hs 'h
(8.74)
Für die Temperatur am Austritt des Diffusors erhält man:
T2
T1
T1
K Diff
N 1 º ª § p2 · N « «¨¨ ¸¸ 1»» p »¼ «¬© 1 ¹
(8.75)
In Gl. (8.39) eingesetzt, ist die Geschwindigkeit am Austritt des Diffusors:
c2
N 1 ª º N § · 2 N R T p « 2 1 2 c1 ¨ ¸ 1»» (N 1) K Diff «¨© p1 ¸¹ «¬ »¼
(8.76)
Das größte Druckverhältnis lässt sich mit einem Unterschalldiffusor erzielen, wenn am Eintritt die Geschwindigkeit am größten, also höchstens Schallgeschwindigkeit und am Austritt gleich null ist. Für das maximale Druckverhältnis erhält man damit: § p2 · ¨¨ ¸¸ © p1 ¹ max
N
ªN 1 º N 1 « 2 K Diff 1» ¬ ¼
(8.77)
210
8 Strömung kompressibler Fluide
Bei idealem Diffusorwirkungsgrad hat man das kritische Druckverhältnis.
§ p2 · ¨¨ ¸¸ © p1 ¹ max, s
N
ª N 1 º N 1 « 2 1» ¬ ¼
N
§ N 1 · N 1 ¨ ¸ © 2 ¹
(8.78)
Mit der Kontinuitätsgleichung lässt sich die erforderliche Austrittsfläche bei vorgegebenem Druck am Austritt des Diffusors bestimmen. A2
8.4.2.2
m R T2 p2 c2
(8.79)
Überschallkonfusor
Im Überschallkonfusor findet ebenfalls eine Verdichtung statt. Die Geschwindigkeit am Eintritt ist größer als jene am Austritt. Beide Geschwindigkeiten liegen im Überschallbereich. Da im Gegensatz zur Unterschallströmung die Geschwindigkeit prozentual stärker ab- als die Dichte zunimmt, muss sich der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verengen. Bild 8.18 zeigt einen Überschallkonfusor. h
p
c
1
p2 T2 c
1
p2 T2
2
T1
' hs
'h
T 2s
p
1
c1 T1
p2 c2 p
a s
1
Bild 8.18: Verdichtung in einem Überschallkonfusor
Die Berechnungen der Geschwindigkeiten, Temperaturen und Strömungsquerschnitte erfolgen wie in bei dem Unterschalldiffusor. Das Druckverhältnis kann aus Gl. (8.76) bestimmt werden. p2 p1
N
N 1 º N 1 ª 2 2 «( Ma1 Ma2 ) K Konf 2 1» ¬ ¼
(8.80)
Nach Gl. (8.80) wäre theoretisch ein unendliches Verdichtungsverhältnis erzielbar. Mit wachsender Machzahl nimmt aber der Wirkungsgrad des Diffusors ab, damit ist die wirkliche Verdichtung begrenzt. In Überschallkonfusoren wurden Verdichtungsverhältnisse bis zu sechs erreicht. Bei Gl. (8.80) ist zu beachten, daß die Machzahl Ma2 auf die Schallgeschwindigkeit im Zustand 1 bezogen ist.
9
Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
9.1
Einleitung
In technischen Apparaten, in denen Verdampfung oder Kondensation stattfindet, strömen Dampf und Flüssigkeit gemeinsam in einer Leitung. Man spricht bei diesen Strömungen von Zweiphasenströmung. Für die Auslegung von Apparaten oder ganzer Anlagen ist die Berechnung des Druckverlustes und der Druckänderung wichtig. Erst in den 70er Jahre erfolgte die systematische Erforschung der Strömungsvorgänge in der Zweiphasenströmung. Die Parameter, die zur Bestimmung des Reibungsdruckverlustes notwendig sind, erhöhen sich wesentlich gegenüber einer Strömung, in der nur ein Fluid als Gas oder Flüssigkeit strömt. Die Stoffwerte verdoppeln sich und als zusätzliche Parameter kommen die Oberflächenspannung, der Massen- und Volumenanteil des Dampfes und das Verhältnis der Geschwindigkeiten beider Phasen dazu. Wenn also aus Messungen die Gesetzmäßigkeit des Druckverlustes bestimmt werden soll, sind im Vergleich zur einphasigen Strömung wesentlich mehr Messungen notwendig. Modellvorstellungen ermöglichten, Gesetzmäßigkeiten so herzuleiten, dass diese mit einem vernünftigen Messaufwand zu bewerkstelligen waren. Nachfolgende Gesetzmäßigkeiten gelten nicht nur für Dampf-Kondensatströmungen, sondern auch allgemein für Gas-Flüssigkeitsströmungen wie z. B. Wasser-Luftströmung. 9.1.1
Grundlagen
Im Folgenden werden die dampfförmige Phase mit dem Index g, die flüssige mit dem Index l versehen. Für die Beschreibung der Gesetzmäßigkeiten benötigt man den Dampfgehalt (quality, steam quality) und den Dampfvolumenanteil (void fraction, steam volume fraction) als zusätzliche Größen. Beide Größen werden aus der Kontinuitätsgleichung für die Zweiphasenströmung hergeleitet. 9.1.1.1
Dampfgehalt und Dampfvolumenanteil
Der Dampfgehalt x, oft auch als Dampfqualität bezeichnet, ist definiert als das Ver g zum Gesamtmassenstrom des Zweiphasengehältnis des Dampfmassenstroms m misches, wobei der Gesamtmassenstrom die Summe des Dampf- und Flüssigkeitsmassenstroms ist.
212
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
x
m g
(9.1)
m g m l
Entsprechend wäre auch möglich, einen Flüssigkeitsgehalt einzuführen, der definitionsgemäß eins minus Dampfgehalt ist. Der Dampfvolumenanteil α ist definiert als das Verhältnis des vom Dampf eingenommenen Strömungsquerschnitts zum Gesamtströmungsquerschnitt.
D
Ag
(9.2)
Ag Al
In englischsprachiger Literatur wird der Flüssigkeitsvolumenanteil häufig als "hold up" angegeben. 9.1.1.2
Kontinuitätsgleichung
Bei der stationären Strömung von Dampf-Flüssigkeitsgemischen kann sich durch Verdampfung oder Kondensation der Massenstrom einzelner Phasen verändern, der Gesamtmassenstrom aber bleibt konstant. m
m g m l
konst.
(9.3)
Für die einzelnen Phasen gilt: m g
m l
m x
c g U g Ag
m (1 x)
cl U l Al
c g U g A D
(9.4)
cl U l A (1 D )
(9.5)
Aus diesen Gleichungen können Zusammenhänge zwischen Dampfgehalt und Dampfvolumenanteil hergeleitet werden. 1 x x
cl U l 1 D cg U g D
(9.6)
Die Bestimmung des Dampfvolumenanteils aus dem Dampfgehalt ist nur dann möglich, wenn das Geschwindigkeits- und Dichteverhältnis beider Phasen bekannt ist. Das Dichteverhältnis ist eine Stoffeigenschaft und kann aus der Temperatur und dem Druck bestimmt werden. Das Geschwindigkeitsverhältnis ist unbekannt und nur sehr schwer messbar. Der Dampfvolumenanteil muss mit Hilfe von Kennzahlen berechnet werden. 9.1.1.3
Dichte
Die Dichte eines Zweiphasengemisches wird bestimmt, indem die Masse des Gemisches mit dem von ihm eingenommenen Volumen geteilt wird. Betrachtet man ein
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
213
Gemisch, das sich in einem Kanal mit dem Strömungsquerschnitt A von der Länge dl befindet, ist dort die Masse des Gemisches: dm
dm g dml
U g A D dl U l A (1 D ) dl
(9.7)
Durch das Volumen dividiert, erhält man die Dichte:
UL
dm dV
dm A dl
U g D U l (1 D )
(9.8)
Diese Dichte wird als lokale Dichte des Gemisches bezeichnet. Betrachtet man ein Zweiphasengemisch, in dem beide Phasen homogen miteinander vermengt sind, so dass Dampf und Flüssigkeit mit gleicher Geschwindigkeit strömen (z. B. Nebel oder feine Bläschen), kann die Dichte direkt aus dem Dampfgehalt bestimmt werden. Hierzu wird in Gl. (9.6) die Geschwindigkeit der beiden Phasen gleich gesetzt und damit kann in Gl. (9.8) der Dampfvolumenanteil durch den Dampfgehalt ersetzt werden. Die Dichte ist in diesem Fall: 1
x
UH
Ug
1 x
Ul
(9.9)
Sie wird als homogene Dichte bezeichnet und ist physikalisch nur dann korrekt, wenn beide Phasen die gleiche Geschwindigkeit haben. Wie aus diesen beiden Dichtedefinitionen und aus dem Zusammenhang zwischen Dampfgehalt und Dampfvolumenanteil zu sehen ist, spielt bei diesen Größen das Geschwindigkeitsverhältnis eine wichtige Rolle. Es hängt von vielen Faktoren ab, vor allem davon, wie die beiden Phasen bei der Strömung verteilt sind. Bevor die quantitativen Zusammenhänge zwischen Dampfgehalt und Dampfvolumenanteil bestimmt werden, sollten die Strömungsvorgänge und die dadurch verursachten Strömungsformen näher betrachtet werden.
9.2
Strömungsformen
Bei der Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen können je nach Dampfgehalt und Massenstrom verschiedene Strömungsformen auftreten. Dies kann am Beispiel der Strömung von Luft und Wasser in einem waagerechten Rohr gezeigt werden. Das Rohr ist am Eintritt mit einem Wasserbehälter verbunden, so dass es bis zur Rohrachse mit Wasser gefüllt ist. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet sich Luft. Langsam wird das Wasser aus dem Rohr abfließen, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel zum Rohrende hin senkt. Das Wasser wird geringe Mengen von Luft mitreissen. Man spricht in diesem Fall von ebener Strömung oder Schichtenströmung (stratified flow). Der Druck der Luft wird allmählich erhöht, damit vergrößert sich der Massenstrom der Luft. Zunächst bleibt die Strömungsform gleich. Durch die Luftströmung wird jetzt Wasser mitgerissen, der Wassermassenstrom erhöht sich ebenfalls. Mit
214
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
zunehmendem Luftmassenstrom entstehen Wellen auf der Wasseroberfläche, man spricht von welliger Strömung (wavy flow). Bei weiterer Steigerung des Luftmassenstroms werden die Wellen immer höher und versperren den gesamten Strömungsquerschnitt. Je nachdem, wie groß der Dampfgehalt ist, sind die versperrten Sektionen kürzer oder länger. Die Schwalloder Pfropfenströmung (slug flow, plug flow) beginnt. Bei weiterer Steigerung des Massenstroms bildet die Flüssigkeit einen Ring an der Wand, in der die Luft strömt. Die Flüssigkeitsoberfläche ist wellig und in der Luftströmung befinden sich Tröpfchen. Man spricht von Ringströmung (annular flow) und Ringströmung mit Tropfenströmung (annular flow with entrainment). Bei der weiteren Steigerung des Massenstroms wird der Wasserring immer dünner. Die Flüssigkeit strömt hauptsächlich in Form von Tröpfchen in der Luftströmung. Dies nennt man Spritzer- oder Nebelströmung (spray flow). Ist der Dampfgehalt sehr klein, können auch winzige Luftbläschen in der Flüssigkeit mitströmen. Diese Strömungsform wird als Blasenströmung (bubbly flow) bezeichnet. In Bild 9.1 sind die verschiedenen Strömungsformen dargestellt.
Blasenströmung
Pfropfenströmung
Schichtenströmung
wellige Strömung
Schwallströmung
Ringströmung mit Tröpfchen
Kolbenströmung
wellige Strömung
Nebelströmung
Strömungsrichtung
Bild 9.1: Strömungsformen in einem waagerechten Rohr [9.1]
Mit dem Baker-Diagramm in Bild 9.2 bestimmt man die Strömungsform.
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
10
215
2
b
f
c
a
1
10 . m .x A.O
d 10
0
g e 10
-1
10
-1
10
0
1
10 10 . (1 - x ) . O< x
2
10
3
10
4
Bild 9.2: Baker-Diagramm zur Bestimmung der Strömungsformen in einem waagerechten Rohr: a) Blasenströmung, b) Spritzerströmung, c) Ringströmung, d) Schwallströmung, e) Pfropfenströmung, f) wellige Strömung, g) Schichtenströmung [9.1]
λ ist dabei der Dichteparameter und Ψ der Viskositätsparameter:
O
1'000 U g 1,2 U l
<
7,3 N/m
V
Kl kg/m 3 U l kg/(m s)
Dieses Diagramm wird nicht für die Berechnung des Druckverlustes benötigt, es dient lediglich zur Abschätzung der Strömungsformen. Das kann wichtig sein, weil einige Strömungsformen Instabilitäten in der Strömung verursachen und so zu Störungen von Prozessen und Anlagen führen. Die Störungen können sich in der Abschaltung von Anlagen und Beschädigungen bzw. Zerstörung von Apparaten und Anlageteilen auswirken. Störungen werden meistens durch Schwall-, Pfropfen- und Kolbenströmung verursacht. Ring-, Blasen- und Nebelströmung sind dagegen sehr stabile Strömungsformen. BEISPIEL 9.1: Bestimmung der Strömungsformen einer Wasser-Dampfströmung Wasser und Wasserdampf strömen bei 10 bar Druck in einer Rohrleitung von 0,1 m Durchmesser. Der Dampfgehalt ist 0,01. Stoffwerte des Wassers und Dampfes: ρg = 5,145 kg/m3, ρl = 887,134 kg/m3, ηl = 150 . 10-6 kg/(m s), σ = 0,042 N/m Bestimmen Sie die Strömungsform für die Massenströme von 1, 10, 100 kg/s.
216
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Lösung Analyse Zunächst müssen die Parameter λ und Ψ bestimmt werden. 1'000 U g
O
<
1'000 5,145 1,2 887,1
1,2 U l 7,3
V
Kl Ul
7,3 150 10 6 0,042 887,1
2,20
0,071
Die Werte für die Koordinatenachsen sind damit:
(1 x ) O < x
m x A O
m
0,99 2,20 0,071 15,55 0,01
4 0,01 S 0,12 2,20
0,58 m
0,58, 5,80, 58,0
In das Baker-Diagramm eingetragen, erhalten wir: 10
2
b
f
c
a
1
10 . m. x A.O
d
10
0
g e 10
-1
10 -1
10
0
10 1 10 . (1 - x ) . O< x
2
10 3
10 4
Mit zunehmendem Massenstrom geht die Strömung von der Schichtenströmung g) in die Ringströmung c) und schließlich in die Spritzerströmung b) über. Diskussion Mit dem Baker-Diagramm können die Strömungsformen in einem horizontalen Rohr sehr einfach bestimmt werden. Es ist darauf zu achten, dass man die richtigen Einheiten einsetzt.
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
9.3
217
Druckverluste
Die Bestimmung der Druckänderung bei der Strömung von nur einer Phase erfolgt aus der Energiebilanzgleichung. Die Druckänderung wird von der Änderung des hydrostatischen Druckes, von der Änderung der Geschwindigkeit und vom Reibungsdruckverlust verursacht. Dies ist auch der Fall bei der Strömung von GasFlüssigkeitsgemischen. Da aber die Geschwindigkeiten der gasförmigen und flüssigen Phase berücksichtigt werden müssen, kann die Energiegleichung nicht in einfacher Form wie bei der Strömung von nur einer Phase angegeben werden. Die einzelnen Verursacher der Druckänderung werden getrennt behandelt. Die Änderung des Druckes ist damit: p1 p 2
'p
'p B 'p St 'p R
(9.10)
∆pB ist die Druckänderung infolge der Geschwindigkeitsänderung und wird als Beschleunigungsdruckverlust (dynamic pressure drop) bezeichnet. ∆pSt ist die Druckänderung infolge der Änderung des hydrostatischen Druckes und wird als statischer Druckverlust bezeichnet. ∆pR ist der Reibungsdruckverlust. Der Beschleunigungsdruckverlust und der statische Druckverlust können positiv oder negativ sein. Der Reibungsdruckverlust ist immer positiv. 9.3.1
Reibungsdruckverlust
Der Reibungsdruckverlust kommt durch den Impulsaustausch der strömenden Flüssigkeit mit dem strömenden Gas, mit der Wand sowie durch den Impulsaustausch zwischen den Phasen zustande. Der Impulsaustausch wird hauptsächlich dadurch bestimmt, ob der Dampf als disperse oder zusammenhängende Phase strömt [9.1, 9.2]. Für die Unterscheidung wird die Froudezahl, die folgendermaßen definiert ist, verwendet: Fr
Ul m x A Ul Ug g d
(9.11)
Für den Bereich, in dem der Dampf als disperse Phase auftritt, gilt:
E
(1 x) U g x Ul
!
1 Fr / 7 12 Fr
(9.12)
Hier strömt der Dampf mit annähernd gleicher Geschwindigkeit wie die Flüssigkeit. Der Reibungsdruckverlust ist gegeben als:
'p R 'l
m 2 d 2 A2 U l
O
ª º §U ·º ª §U · «1 x ¨ l 1¸» «1 x ¨ l 1¸ ( K 2 1)» ¨ Ug ¸» « ¨ Ug ¸ «¬ »¼ © ¹¼ ¬ © ¹
(9.13)
218
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Der Widerstandsbeiwert λ ist:
O
ª § 2.51 k ·º «2 log¨ 0,269 ¸» ¨ Re O d ¸¹» «¬ © ZP ¼
2
(9.14)
Dabei wird eine für die Zweiphasenströmung angepasste Reynoldszahl verwendet. m d A K l 1 x (1 K g / K l )
Re ZP
>
(9.15)
@
Für die Größe K2 gilt:
1 K2
1 0,09 E ° 2,97 E 2 / 3 1 ® 1 ° 6 (1,83 E 2 / 3 1) (3,43 E 2 / 3 1) ¯
wenn E d 0,4 wenn E ! 0,4 (9.16)
In dem Bereich, in dem der Dampf als zusammenhängende Phase strömt, wird der Reibungsdruckverlust wesentlich vom Impulsaustausch zwischen den Phasen bestimmt. Die mittlere Dampfgeschwindigkeit ist hier größer als die der Flüssigkeit. Der Reibungsdruckverlust wird als Reibungsdruckverlust des Dampfes berechnet und mit dem Zweiphasendruckverlustfaktor ϕ multipliziert.
'p R 'l
m 2 x 2 M d 2 A2 U g
O
(9.17)
Der Reibungsbeiwert λ für glatte Rohre wird hier nach Gl. (6.35) bestimmt. Im Zweiphasendruckverlustfaktor ϕ wird der Einfluss der Rohrrauigkeit berücksichtigt.
>log( Re
O
2 ZP
@
O ) 0,8
2
(9.18)
Die Reynoldszahl wird so bestimmt, als strömte der Dampf allein im Rohr. ReZP
m x d A K g
(9.19)
ϕ ist definiert als:
M
>1 (1 E ) J F E J E @2
E, γF und γE sind gegeben als:
(9.20)
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
219
2 2 º ª§ m x ·¸ §¨ 4'575 U g ·¸» « ¨ E 1,875 0,815 log 1 für 0 d E d 1 ¸» «¨© A U g a ¸¹ ¨© U l2 ¹¼ (9.21) ¬ E 0 für E 0 und E 1 für E ! 1
1 (1 E / H ) 1,19
JF 1
1
JE
(9.22)
6,6 6
>(1 x) / x@
0 , 45
(1 3 x 4 ) (K l / K g 1) 0 , 25
(9.23)
Die Größe ε wurde nach Chawla [9.1] als Zweiphasenströmungsparameter benannt und berechnet sich folgendermaßen: Rel
<
m (1 x) d A K l
§ Ug ( Rel Frl ) 1 / 6 ¨¨ © Ul §1 x · ¸ © x ¹
H1 1,71 < 0, 2 ¨
H2 f1
m 2 (1 x) 2 A 2 U l2 g d
Frl
0 ,15
· ¸ ¸ ¹
0,9
§ Kg ¨¨ © Kl
§ Ug ¨¨ © Ul
· ¸ ¸ ¹
0,5
· ¸ ¸ ¹
0,5
1 x x
§ Kg ¨¨ © Kl
0 ,1
· ¸ f1 ¸ ¹
9,1 <
°1 wenn k / d 5 10 4 ® °¯(5 10 4 d / k ) 0,13 wenn k / d t 5 10 4
H 3
H 13 H 23
(9.24)
Beide Gleichungen für den Reibungsdruckverlust gelten für ReZP > 2'300. Die angegebenen Beziehungen geben den lokalen Wert an einer Stelle des Rohrs bei den dort vorherrschenden Stoffwerten und dem Dampfgehalt an. Da sich die Stoffwerte und der Dampfgehalt in einer Rohrleitung verändern können, muss entweder schrittweise mit den geänderten Stoffwerten und dem Dampfgehalt oder bei kleinen Druckänderungen mit den mittleren Stoffwerten gerechnet werden. Diese bestimmt man mit der mittleren Temperatur und dem Druck. Da der Druck am Ende der zu berechnenden Rohrstrecke unbekannt ist, muss zunächst mit den Stoffwerten am Eintritt gerechnet werden. Nach Berechnung des Druckverlustes wird mit den neu bestimmten Stoffwerten iteriert. Der Dampfgehalt ist entsprechend der Wärmezu- oder Wärmeabfuhr beziehungsweise der Druckänderung zu berechnen. Bei der Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen, in denen kein Phasenübergang stattfindet, bleibt der Dampfgehalt kons-
220
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
tant. Bei der Strömung reiner Stoffe können Verdampfung und Kondensation auftreten. Die Änderung des Dampfgehalts bestimmt man folgendermaßen: x2
§ Q · 1 ¨ x1 r1 hl 2 hl1 ¸ ¨ m ¸ r © ¹ 2
(9.25)
Wird keine Wärme zu- oder abgeführt, bestimmt die Flüssigkeitsenthalpie die Änderung des Dampfgehalts. Diese nimmt wegen der Senkung der Sättigungstemperatur mit abnehmendem Druck ab. Bei Druckabnahme tritt Verdampfung, bei Druckzunahme Kondensation auf. BEISPIEL 9.2: Reibungsdruckverlust einer Wasser-Wasserdampfströmung Wasser und Wasserdampf strömen bei 10 bar Druck in einer Rohrleitung von 0,1 m Innendurchmesser. Der Dampfgehalt ist 0,01. Die Stoffwerte des Wassers und Dampfes sind: ρg = 5,145 kg/m3, ρl = 887,134 kg/m3, ηl = 150 . 10-6 kg/(m s) ηg = 15 . 10-6 kg/(m s), Schallgeschwindigkeit des Dampfes ag = 500,1 m/s Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust pro Meter Rohrlänge für die Massenströme von 1, 10, 100 kg/s. Lösung Analyse Zunächst werden die Froudezahlen für die drei Massenströme mit Gl. (9.11) und die Größe β mit Gl. (9.12) bestimmt. Fr
Ul m x Ug g d A Ul
E
4 m 0,01 887,1 2 S 0,1 887,1 5,145 9,81 0,1
(1 x) U g x Ul
0,99 5,145 0,01 887,1
0,019; 0,19; 1,9
0,574
Für die drei Massenströme liefert die Hilfsgröße in Gl. (9.12) folgende Werte: 1 Fr / 7 12 Fr
4,40; 0,45; 0,056
Damit strömt der Dampf beim Massenstrom von 1 kg/s als zusammenhängende, bei den beiden größeren Massenströmen als disperse Phase. Wir beginnen hier mit der Berechnung der beiden größeren Massenströme. Um den Reibungsdruckverlust mit Gl. (9.13) zu bestimmen, müssen zunächst die Größen ReZP, λ und K2 ermittelt werden.
221
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
ReZP
m d A K l 1 x (1 K g / K l )
>
4 m 0,1
@
S 0,12 150 10 6 >1 0,01 (1 15 / 150)@
856'535; 8'556'351 ª § 2.51 k ·º «2 log¨ 0,269 ¸» ¨ Re O d ¸¹» «¬ © ZP ¼
O
2
0,012; 0,0083
Da β größer als 0,4 ist, gilt für K2 nach Gl. (9.16):
K2
ª º 2,97 E 2 / 3 1 «1 » 2 / 3 2 / 3 6 ( 1 , 83 1 ) ( 3 , 43 1 ) E E ¬ ¼
ª º 2,97 0,574 2 / 3 1 «1 » 2 / 3 2 / 3 1) (3,43 0,574 1) ¼ ¬ 6 (1,83 0,574
1
1
1,042
Der Reibungsdruckverlust pro Meter Rohr ist damit:
'p R 'l
m 2 d 2 A2 Ul
O
ª º §U ·º ª §U · «1 x ¨ l 1¸» «1 x ¨ l 1¸ ( K 2 1)» ¨ Ug ¸» « ¨ Ug ¸ «¬ »¼ © ¹¼ ¬ © ¹
ª º § 887,1 ·º ª § 887,1 · 16 m 2 «1 0,01 ¨¨ 1¸¸» «1 0,01 ¨¨ 1¸¸ (1,042 1)» 4 0,1 2 S 0,1 887,1 ¬ © 5,145 ¹¼ ¬ © 5,145 ¹ ¼
O
2
275
19'063 Pa/m
Der Reibungsdruckverlust für den Massenstrom von 1 kg/s wird mit Gl. (9.17) bestimmt. Zunächst müssen hier λ und ϕ berechnet werden. ReZP
m x d A K g
O
>log( Re
4 1 0,01 0,1
S 0,12 15 10 6 2 ZP
O ) 0,8
@
2
8'487
0,0323
Die Größe E ist nach Gl. (9.21): 2 2 ª§ m x ·¸ §¨ 4'575 U g « ¨ E 1,875 0,815 log 1 «¨© A U g a ¸¹ ¨© U l2 ¬
·º ¸» ¸» ¹¼
2 ª§ · § 4'575 5,145 2 ·º 4 1 0,01 ¸» 3,57 ¸¸ ¨¨1 1,875 0,815 log «¨¨ 2 ¸ 887,12 «¬© S 0,1 5,145 500,1 ¹ © ¹»¼
222
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Da E negativ ist, muss es nach Gl. (9.21) zu null gesetzt werden. Zur Bestimmung von ϕ wird also nur die Größe γF benötigt. Größe ε wird mit Gl. (9.24) bestimmt: m (1 x) d A K l
Rel
0,9
<
§ Ug · ¸ ( Rel Frl ) ¨¨ ¸ © Ul ¹ H 2 9,1 < 1 / 6
H 1 1,71 <
0, 2
H
§ 1 x · ¨ ¸ © x ¹
H
3 1
0 ,15
m 2 (1 x) 2 A 2 U l2 g d
Frl
84'034
H 23
0 ,5
§ Kg · 1 x ¨¨ ¸¸ x © Kl ¹ 0,798
§ Ug ¨¨ © Ul
1 / 3
0,021
· ¸ ¸ ¹
0 ,5
§ Kg ¨¨ © Kl
· ¸ ¸ ¹
0,0877
0 ,1
0,1267
0,1267
γF und ϕ können mit den Gln. (9.22) und (9.20) berechnet werden. 1 (1 E / H ) 1,19
JF
1 (1 0,574 / 0,1265) 1,19
M [1 (1 E ) J F E J E ]2
(1 J F ]) 2
0,8696 58,8
Damit ist bei einem Massenstrom von 1 kg/s der Reibungsdruckverlust pro Meter Rohr:
'p R 'l
m 2 x 2 M d 2 A2 U g
O
0,0323 16 12 x 2 58,8 2,99 Pa/m 0,1 2 S 2 0,14 5,145
Für den Massenstrom 10 kg/s steigt der Wert auf 275 Pa/m und bei 100 kg/s auf 19'036 Pa/m an. Diskussion Die Bestimmung des Reibungsdruckverlustes in einem Zweiphasengemisch ist relativ rechenintensiv. Der Reibungsdruckverlust der reinen Flüssigkeitsströmung für die beiden größeren Massenströme entspricht dem Wert des Ausdrucks in Gl. (9.13) vor der eckigen Klammer. Er wird bei der Zweiphasenströmung mit dem Wert der eckigen Klammer multipliziert. Hier kann man sehen, dass der Dampfmassenanteil von 1 % den Druckverlust auf das 2,5fache erhöht. Dies wird durch die Geschwindigkeitserhöhung des Dampfes, der eine wesentlich geringere Dichte hat, bewirkt.
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
9.3.2
223
Dampfvolumenanteil
Für die Bestimmung des Beschleunigungsdruckverlustes und statischen Druckverlustes benötigt man den Dampfvolumenanteil. Wie beim Reibungsdruckverlust muss unterschieden werden, ob der Dampf als disperse oder zusammenhängende Phase auftritt. Die Unterscheidung erfolgt wie zuvor mit Gl. (9.12). Ist die Bedingung in Gl. (9.12) erfüllt, berechnet man den Dampfvolumenanteil als: § · 1 30,4 E 2 / 3 11 ¨1 ¸ ¨ 60 (1,6 E 2 / 3 1) (3,2 E 2 / 3 1) ¸ 1 E © ¹
D
(9.26)
Im Bereich 0,002 d E d (1 Fr / 7) /(12 Fr )
(9.27)
gilt für den Dampfvolumenanteil:
H1
ª K § K exp «2 0,1335 ln l ¨1,1 0,08534 ln l ¨ K K «¬ g g © H2
ª§ x · 7 / 8 § K g «¨ ¸ ¨¨ «© 1 x ¹ © Kl ¬
· ¸ ¸ ¹
1/ 8
§ Ug ¨¨ © Ul
· ¸ ¸ ¹
1/ 2
º 1» » ¼
º · ¸ ln(H )» ¸ »¼ ¹
(9.28)
Für 10-4 < β < 0,002 gilt:
464 E 5 / 3
H
(9.29)
und für β < 10-4: H
9.3.3
E
(9.30)
1 E
Statischer Druckverlust
Wie bei der Strömung einphasiger Fluide verursacht die Änderung der Höhe eine hydrostatische Druckänderung. Diese wird mit der lokalen Dichte des Zweiphasengemisches berechnet.
'p St
>D U
g
@
(1 D ) U g g ( z 2 z1 )
(9.31)
Hier müssen wieder wie beim Reibungsdruckverlust die Änderungen der Stoffwerte und des Dampfgehalts beachtet werden.
224 9.3.4
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Beschleunigungsdruckverlust
Bei der Strömung von Dampf-Flüssigkeitsgemischen in einem Rohr kann sich die Geschwindigkeit der einzelnen Phasen wesentlich verändern. In einem Verdampferrohr strömt z. B. die reine Flüssigkeit mit kleiner Geschwindigkeit in das Rohr hinein und verläßt es mit sehr hoher Geschwindigkeit als reiner Dampf. Diese Geschwindigkeitsänderung kann eine sehr hohe Druckänderung verursachen, die dann positiv ist und wie der Reibungsdruckverlust zu einer Absenkung des Druckes führt. In einem Kondensatorrohr kondensiert der eintretende Dampf und verringert so die Strömungsgeschwindigkeit. Dies führt zu einer Druckerhöhung, die größer als der Reibungsdruckverlust sein kann. Beide erwähnten Druckänderungen sind mit Zu- oder Abfuhr von Wärme verbunden. Auch in Rohren ohne Wärmezu- oder Wärmeabfuhr kann eine Geschwindigkeitsänderung auftreten. Infolge des Reibungsdruckverlustes und statischen Druckverlustes verändert sich vor allem die Dichte der Dampfphase. Dabei kann die Dampfphase eine große Geschwindigkeitsänderung erfahren. Die Änderung der Dampfgeschwindigkeit bewirkt auch eine Änderung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, was bei der Bestimmung des Druckverlustes zu berücksichtigen ist. Die Änderung des Druckes infolge der Geschwindigkeitsänderung beider Phasen erhalten wir aus der Energiebilanzgleichung.
dp B
(1 x) 2 m 2 §¨ x 2 d A 2 ¨© D U g (1 D ) U l
· ¸ ¸ ¹
(9.32)
Berechnet man den Zustand am Ein- und Austritt des entsprechenden Rohrabschnitts, kann die Druckänderung infolge Geschwindigkeitsänderung bestimmt werden.
'p B
m 2 A2
§ x 22 (1 x2 ) 2 (1 x1 ) 2 ·¸ x12 ¨ ¨ D 2 U g 2 (1 D 2 ) U l 2 D1 U g1 (1 D 1 ) U l1 ¸ ¹ ©
(9.33)
Bei der Berechnung des Beschleunigungsdruckverlustes werden zunächst der Reibungsdruckverlust und statische Druckverlust bestimmt. Mit dem so errechneten Druckverlust werden die Änderung des Dampfgehalts, des Dampfvolumenanteils und die der Dichten berechnet, danach der Beschleunigungsdruckverlust bestimmt. Dieser wird den anderen beiden Druckverlusten addiert und, falls notwendig, die Berechnung mit neuen Stoffwerten wiederholt. 9.3.5
Reibungsdruckverluste in Rohrleitungselementen
Genauere Berechnungsmethoden zur Bestimmung des Druckverlustes an Drosselorganen und anderen Rohrleitungselementen sind in der Literatur (z. B. VDI-Wärmeatlas) gegeben.
225
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Für eine rudimentäre Berechnung können die doppelten Werte der Widerstandszahlen, die für die Einphasenströmung gelten, genommen werden [9.1]. Strömt der Dampf als disperse Phase, werden nicht die Geschwindigkeit und Dichte der Flüssigkeit, sondern die des Dampfes verwendet. Die Geschwindigkeiten werden so bestimmt, als strömte die Flüssigkeit oder der Dampf alleine im Rohr. BEISPIEL 9.3: Bestimmung des Massenstroms einer Kaffeemaschine Die Strömung in einer Kaffeemaschine wird dadurch erzeugt, dass das Wasser mittels elektrischer Heizung zum Teil verdampft und dadurch im Steigrohr die Dichte des Zweiphasengemisches verringert wird. Im Steigrohr steigt das Niveau so stark an, dass Wasser und Dampf aus dem Rohr strömen. Der Innendurchmesser der Rohre beträgt 6 mm. Durch die Heizung wird 0,5 % des Wassers verdampft. Die Rohrbögen dürfen als gerade Leitungen mit der gleichwertigen Länge von 10 Durchmessern angenommen werden. Die Reibungszahl der Einströmung aus dem Behälter in das Rohr ist 0,2. Die Druckänderung durch die Geschwindigkeitsänderung in der Zweiphasenströmung kann vernachlässigt werden. Bis zum Beginn der Zweiphasenströmung sind die Stoffwerte des Wassers: ρW = 998,0 kg/m3, ηW = 1'000 . 10-6 kg/(m s) Stoffwerte des Wassers und des Dampfs im Steigrohr: rg = 0,579 kg/m3, rl = 959 kg/m3, hl = 285 . 10-6 kg/(m s), hg = 12,24 . 10-6 kg/(m s), ag = 471,8 m/s Bestimmen Sie den Massenstrom des Wassers. Lösung Siehe Skizze
Annahmen • •
elektrische Heizung
100 mm
30 mm
Behälter
150 mm
200 mm
Steigrohr
300 mm
100 mm
Schema
ab hier Zweiphasenströmung
Die Druckänderung durch Geschwindigkeitsänderung in der Zweiphasenströmung kann vernachlässigt werden. Die Zweiphasenströmung wird mit einem mittleren Dampfgehalt von 0,005 berechnet.
Analyse Die Druckverluste hängen vom gesuchten Massenstrom ab. Da die Beziehungen recht komplex sind, muss der Massenstrom iterativ bestimmt werden.
226
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Die Änderung des Druckes vom Druckniveau im Behälter bis zum Beginn der Zweiphasenströmung muss gleich groß sein wie die Druckänderung ab Beginn der Zweiphasenströmung im Steigrohr. Die Änderung des Druckes im Wasser bis zum Beginn der Zweiphasenströmung ist:
g UW 'z w (1 ] Ein O l / d )
'pW
g UW 'z w (1 ] Ein O l / d )
c 2 UW 2 m 2
2 UW A 2
Die Druckänderung der Zweiphasenströmung berechnet man als:
'p ZP
g U L 'z ZP 'p R
g [D U g (1 D ) U l ] 'z ZP 'p R
Der Reibungsdruckverlust und Dampfvolumenanteil der Zweiphasenströmung sind beide vom Massenstrom abhängig und müssen je nachdem, ob der Dampf als zusammenhängende oder disperse Phase strömt, entsprechend bestimmt werden. Als Schätzwert wird für den Massenstrom zunächst angenommen, dass die Geschwindigkeit des Wassers aus dem Behälter so groß wie ein Viertel der Geschwindigkeit wäre, die ohne Reibung durch die Höhendifferenz entstünde. Damit wäre der Massenstrom: c
m
0,25 2 g 'zW
0,456 m/s
c UW A c UW 0,25 S d 2
0,0129 kg/s
Jetzt wird die Druckänderung in der Wasserströmung berechnet. Die Reynoldszahl der Strömung ist: ReW
c d UW
KW
0,456 0,006 998 1'000 10 6
2'734
Die Rohreibungszahl beträgt: O 0,3164 ReW0, 25 0,0438 Die Gesamtrohrlänge setzt sich aus den geraden Rohrstücken und der gleichwertigen Länge der Rohrbögen zusammen: lges = 0,18 m + 2 . 10 . 6 mm = 0,3 m. Die Höhendifferenz der Wasserströmung beträgt 0,17 m. Mit diesen Werten erhalten wir für die Druckänderung:
'pW
g UW 'z w (1 ] Ein O l / d )
9,81 998 0,17 (1 0, 2 0,0438 0,3/0,006 )
2 0, 456 998 2
c 2 UW 2
(1 664 352 ) Pa
1'311 Pa
227
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Für die Zweiphasenströmung muss zunächst bestimmt werden, ob der Dampf dispers oder zusammenhängend ist. Dazu wird die Froudezahl mit Gl. (9.11) bestimmt. Fr
Ul m x Ug g d A Ul
0,0129 0,005 959 0,25 S 0,006 2 959 0,579 9,81 0,06
0,399
Für den Bereich, in dem der Dampf als disperse Phase auftritt, gilt nach Gl. (9.12):
E
(1 x) U g x Ul
0,995 0,579 0,005 959
0,120 !
1 Fr / 7 12 Fr
0,221
Da die Bedingung nicht erfüllt ist, strömt der Dampf als zusammenhängende Phase und der Druckverlust wird mit Gl. (9.17), der Dampfvolumenanteil mit den Gln. (9.28) bis (9.30) bestimmt. Der Reibungsdruckverlust ist:
'p R
O
l ges d
m 2 x 2 M 2 A2 U g
/ A (Massenstromdichte) In den folgenden Berechnungen kommt die Größe m oft vor. Deshalb wird sie hier bestimmt: m / A = 455,6 kg / (m2 . s) Nach Gl. (9.18) ist die Reynoldszahl der Zweiphasenströmung:
m x d A K g
ReZP
494 0,005 0,006 12,24 10 6
1'117
Die Rohrreibungszahl wird nach Gl. (9.18) berechnet als:
O
>log( Re
2 ZP
O ) 0,8
@
2
0,0444
Zunächst muss die Hilfsgröße E mit Gl. (9.21) bestimmt werden. 2 2 º ª§ m x ·¸ §¨ 4 575 U g ·¸» ¨ « 1 1,51 E 1,875 0,815 log ¸» «¨© A U g a ¸¹ ¨© U l2 ¹¼ ¬
Da E negativ ist, muss es nach Gl. (9.21) zu null gesetzt werden. Zur Bestimmung von ϕ wird nur die Größe γF benötigt. Größe ε wird mit Gl. (9.24) bestimmt:
228
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
m (1 x) d A K l
Rel
m 2 (1 x) 2 A 2 U l2 g d
Frl
9543 0 ,9
( Rel Frl )
<
§1 x · ¸ © x ¹
H
0 ,5
§ Ug · § Kg · 1 x ¸ ¨ ¸ ¨¨ ¸ ¨ ¸ x © U l ¹ © Kl ¹ H 2 9,1 < 0,085
1 / 6
0 ,15
H1 1,71 < 0, 2 ¨
H
3 1
§ Ug ¨¨ © Ul
H 2 3
3,80
· ¸ ¸ ¹
1 / 3
0 ,5
§ Kg ¨¨ © Kl
· ¸ ¸ ¹
0,00908
0,1
0,0265
0,0262
γF und ϕ können mit den Gln. (9.22) und (9.20) berechnet werden. 1 (1 E / H ) 1,19
JF
M
1 (1 0,120 / 0,0262) 1,19
>1 (1 E ) J F E J E @2
0,871
59,933
Für den Druckverlust setzt sich die Gesamtlänge aus der geraden Länge von 0,37 m und einer gleichwertigen Länge des Bogens von 20 d (Zweiphasensströmung) zusammen, sie beträgt also 0,49 m. Damit ist der Reibungsdruckverlust:
'p R
O
l ges d
m 2 x 2 M 2 A2 U g
0,49 455,6 2 0,005 2 59,933 974,7 Pa 0,006 2 0,579
0,0444
Jetzt wird der Dampfvolumenanteil mit Gl. (9.28) bestimmt: H1
ª K § K exp «2 0,1335 ln l ¨1,1 0,08534 ln l ¨ K K «¬ g g ©
H2
ª§ x · 7 / 8 § K g «¨ ¸ ¨¨ K «© 1 x ¹ © l ¬ H
H
3 1
1/ 8
· ¸ ¸ ¹
§ Ug ¨¨ © Ul
H 23
D 1 H
1 / 3
1/ 2
· ¸ ¸ ¹
º 1» » ¼
º · ¸ ln(H )» ¸ »¼ ¹
1
0,9998
0,234
0,766
Damit ist die Druckänderung im Steigrohr:
'p ZP
g [D U g (1 D ) U l ] 'z ZP 'p R
1'570 Pa
0,235
229
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Mit diesem Massenstrom erhalten wir einen zu großen Druckverlust des Zweiphasengemisches. Der Massenstrom wird variiert, bis beide Druckänderungen gleich groß sind. Dies wird bei dem Massenstrom von 0,0114 kg/s erreicht. Der Druckverlust betägt dann 1'380 Pa. Diskussion Die hier durchgeführte Berechnung zeigt das Funktionsprinzip eines Naturumlaufverdampfers. Eine genaue Berechnung erfordert die Berücksichtigung der Wärmeübertragungsmechanismen und die Änderung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter. Solche Berechnungen sind recht komplex und müssen mit Computerprogrammen durchgeführt werden.
9.4
Kritischer Durchfluss
Beim kritischen Durchfluss von Dampf-Flüssigkeitsgemischen gilt wie bei kompressiblen Fluiden, dass die größte Strömungsgeschwindigkeit am Austritt mit einer plötzlichen Querschnittserweiterung oder am engsten Strömungsquerschnitt gleich der Schallgeschwindigkeit ist [9.3]. m krit
>
a A D U g (1 D ) U l
@
(9.34)
Die Schallgeschwindigkeit oder kritische Geschwindigkeit wird nach der Laplace'schen Gleichung bestimmt. 1 a2 1 a2
§ dU L ¨¨ © dp
· ¸¸ ¹s
>
§ d D U g (1 D ) U l ¨ ¨ dp ©
@·¸
(9.35)
¸ ¹s
§ dU g · § dD · § dU ¸ ( U g U l ) ¨¨ ¸¸ (1 D ) ¨¨ l ¸ © dp ¹ s © dp © dp ¹ s
D ¨¨
· ¸¸ ¹s
(9.36)
Die Ableitung der Dichte einzelner Phasen ist definitionsgemäß gleich dem Kehrwert des Quadrats der Schallgeschwindigkeit der jeweiligen Phasen. Für die Berechnung der Ableitung des Dampfvolumenanteils nach dem Druck betrachten wir einen Kontrollraum, in dem der Dampfvolumenanteil den Wert α hat. In diesem Kontrollraum ist die Masse der einzelnen Phasen: mg
D U g V
ml
(1 D ) U g V
Für den Dampfvolumenanteil erhält man damit:
(9.37)
230
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
mg / U g
D
(9.38)
m g / U g ml / U l
Bei einer isentropen Druckänderung bleiben die Massen der einzelnen Phasen unverändert. Damit ergibt die Ableitung von Gl. (9.38) nach dp:
§ dD · ¨¨ ¸¸ © dp ¹ s
m g / U g2
§ dU g ¨ m g / U g ml / U l ¨© dp
mg / U g
ª mg « 2 (m g / U g ml / U l ) ¬« U g 2
§ dU g ¨¨ © dp
· ¸ ¸ ¹s
· m ¸ 2l ¸ U l ¹s
§ dU ¨¨ l © dp
· º ¸¸ » ¹ s ¼»
(9.39)
Unter Berücksichtigung von Gl. (9.38) und dass die Ableitung der Dichten den Kehrwert des Quadrats der Schallgeschwindigkeiten der Phasen ergibt, erhält man:
§ dD · ¨¨ ¸¸ © dp ¹ s
§ 1 1 ¨ U l al2 U g a g2 ©
D (1 D ) ¨
· ¸ ¸ ¹
(9.40)
Damit ist die Schallgeschwindigkeit in der Zweiphasenströmung: 1 a2
D ª
§U ·º 1 D ª § Ug ·º «1 (1 D ) ¨ l 1¸» 2 «1 D ¨¨ 1¸¸» ¨ Ug ¸» a a «¬ l © Ul ¹»¼ ¬« © ¹¼ 2 g
(9.41)
In Bild 9.3 ist die Schallgeschwindigkeit in einem Luft-Wassergemisch bei 1 bar Druck und 20 oC Temperatur als eine Funktion des Dampfvolumenanteils aufgetragen. 2'000
Schallgeschwindigkeit m/s
1'000 500
200 100 50
20 10
0
0,2
0,6 0,4 Dampfvolumenanteil
0,8
1,0
Bild 9.3: Schallgeschwindigkeit in einem Luft-Wassergemisch bei 1 bar Druck und 20 oC Temperatur
231
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird die Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wesentlich kleiner als die der einzelnen Phasen. Dementsprechend ist der kritische Massenstrom ebenfalls kleiner. Eine exakte Berechnung der Ausströmung oder die Angabe eines kritischen Druckverhältnisses ist wie bei den idealen Gasen unmöglich. Für die Berechnung müssen die realen Druckverluste mit den Druckverlustgleichungen bestimmt werden. Mit den entsprechenden Werten für den Dampfvolumenanteil und die Dichten können dann Schallgeschwindigkeit und kritischer Massenstrom berechnet werden. Wird der kritische Massenstrom kleiner als der für die Berechnung verwendete Massenstrom, ist die Strömung kritisch. Da dieser Massenstrom nicht durch die Rohrleitung strömen kann, muss so lange iteriert werden, bis der angenommene Massenstrom gleich groß wie der kritische ist. BEISPIEL 9.4: Kritischer Massenstrom einer Wasserdampfströmung Aus einem geplatzten Rohr mit 13 mm Innendurchmesser strömt ein Wasser-Wasserdampfgemisch. Der Druck am Ende des Rohrs ist 20 bar. Der Dampfgehalt der Strömung beträgt 0,01. Die Stoffwerte des Wassers und Dampfes sind: ρg = 10,04 kg/m3, ρl = 849,8 kg/m3, ηl = 126,1 . 10-6 kg/(m s) ηg = 16,15 . 10-6 kg/(m s), ag = 504,7 m/s, al = 1 291 m/s Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit und den kritischen Massenstrom. Lösung Annahme •
Am Rohraustritt ist der Zustand stationär.
Analyse Die Berechnung der Schallgeschwindigkeit mit Gl. (9.41) benötigt den Dampfvolumenanteil, der neben den Stoffwerten und dem Dampfgehalt auch vom Massenstrom abhängig ist. Deshalb müssen zunächst mit einem angenommenen Massenstrom der Dampfvolumenanteil, dann die Schallgeschwindigkeit und der Massenstrom bestimmt werden. Mit der Annahme, dass das Zweiphasengemisch mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s aus dem Rohr strömt und die Dichte des Gemisches 500 kg/m3 ist, erhält man für den Massenstrom:
m
0,25 S d 2 U L c
0,25 S 0,0132 m 2 500 kg/m 3 100 m/s
6,637 kg/s
Die Massenstromdichte ist 50'000 kg/(m2 . s). Zunächst müssen wir bestimmen, in welchem Bereich die Berechnungen durchzuführen sind.
232
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
Fr
Ul m x A Ul Ug g d
6,637 0,01 849,8 2 0,25 S 0,013 849,8 10,04 9,81 0,013
15,16
Für den Bereich, in dem der Dampf als disperse Phase auftritt, gilt nach Gl. (9.12):
E
(1 x) U g x Ul
0,995 0,579 0,005 959
1,17 !
1 Fr / 7 12 Fr
0,017
Da die Bedingung erfüllt ist, strömt der Dampf als disperse Phase und der Dampfvolumenanteil wird mit Gl. (9.25) bestimmt. § · 1 30,4 E 2 / 3 11 ¨1 ¸ ¨ 60 (1,6 E 2 / 3 1) (3,2 E 2 / 3 1) ¸ 1 E 0,430 © ¹ Die Schallgeschwindigkeit kann mit dem Dampfvolumenanteil nach Gl. (9.41) berechnet werden.
D
a
° D ª § Ul ·º 1 D 1¸» 2 ® 2 «1 (1 D ) ¨¨ ¸» a l °¯ a g ¬« © Ug ¹¼
ª § Ug ·º ½° «1 D ¨¨ 1¸¸» ¾ © Ul ¹»¼ °¿ ¬«
0 , 5
110,2 m/s
Da in diesem Fall der Dampfvolumenanteil vom Massenstrom unabhängig ist, gilt es zu prüfen, ob die Dampfströmung mit dem wirklichen Massenstrom dispers bleibt. Die lokale Dichte ist: ȡL
D U g (1 D ) U l
(0,43 10,04 0,57 849,8) kg/m 3
488,9 kg/m 3
Der kritische Massenstrom beträgt: m kr
0,25 S d 2 U L a
0,25 S 0,0132 m 2 488,9 kg/m 3 110,2 m/s
7,150 kg/s
Mit dem neuen Massenstrom verändern sich die Froudezahl und somit der Grenzwert für die Berechnung. Die Froudezahl wird zu 16,33, die Hilfsgröße zu 0,017. Sie ist immer noch kleiner als die Größe β. Damit ist die Dampfströmung dispers und der Dampfvolumenanteil vom Massenstrom unabhängig. Diskussion Wenn der Dampf als disperse Phase strömt, ist die Bestimmung des Dampfvolumenanteils und der Schallgeschwindigkeit vom Massenstrom unabhängig und kann ohne Iteration durchgeführt werden. Bei größeren Dampfgehalten und so lange die Größe ß den Wert von 0,002 nicht unterschreitet, muss der kritische Massenstrom zur Bestimmung des Dampfgehalts iterativ berechnet werden.
9 Strömung von Gas-Flüssigkeitsgemischen
233
Das Beispiel zeigt anschaulich, dass die Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wesentlich kleiner als die des Dampfes ist, in unserem Fall fast um den Faktor fünf.
10
Umströmte Körper
10.1
Einführung
Bei der Strömung von Fluiden durch Rohre, Kanäle und Gerinnen berechnet und misst man Druckänderungen. Bei umströmten Körpern interessieren die Kräfte, die vom strömenden Fluid auf den Körper ausgeübt werden. Die in den folgenden Abschnitten angegebene Geschwindigkeit ist immer die relative Geschwindigkeit des Fluids zum Körper. Je nach Form des Körpers wirken die von der Strömung des Fluids erzeugten Kräfte nur in Richtung der Geschwindigkeit oder sie haben andere Komponenten. An den Tragflügeln eines Flugzeugs wirken zum Beispiel die Widerstandskraft in Richtung Fluggeschwindigkeit und senkrecht dazu die Auftriebskraft. Die Kraft, die in Richtung der Geschwindigkeit wirkt, heißt Widerstandskraft (drag) oder Flächenwiderstandskraft. Jene, die gegen die Erdanziehung wirkt, Auftriebskraft (lift) und die, welche senkrecht zur Geschwindigkeit und zur Erdbeschleunigung wirkt, Seitenwiderstandskraft.
10.2
Strömungswiderstand umströmter Körper
Bei jedem umströmten Körper teilt sich die Strömung am Staupunkt. Die Geschwindigkeit ist dort gleich null. Dies bedeutet, dass auch bei noch so turbulenter Anströmung des Körpers die Turbulenz am Staupunkt aufhört und sich eine laminare Grenzschicht bildet. Ab dem Staupunkt nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Damit wird die durch Reibung verursachte Verzögerung kompensiert, es können keine Wirbel auftreten. Wenn die Geschwindigkeit auf dem weiteren Weg der Strömung wieder abnimmt und sich der Druck damit erhöht, entstehen an irgendeinem Punkt des Körpers Strömungsablösungen, begleitet von Wirbelbildungen (Bild 10.1). e laminar
hicht Grenzsc
Beschleunigung
turbu lente G
renz schic ht
Verzögerung
Bild 10.1: Grenzschicht am angeströmten Körper
236
10 Umströmte Körper
Ursachen für die Widerstandskraft, die bei der Umströmung von Körpern entsteht, sind: • •
der Reibungswiderstand (skin friction drag) und der Druck- oder Formwiderstand (form drag).
Der Reibungswiderstand entsteht durch Schubspannungen im Fluid, die durch Reibung hervorgerufen werden. Verursacher des Druckwiderstands sind Druckunterschiede am Körper, die die Strömung erzeugt. Körper, die von einem reibungsfrei strömenden Fluid umströmt werden, setzen der Strömung keine Widerstandskraft entgegen, weil durch die Verzögerung an der angeströmten Seite die Beschleunigung wieder ausgeglichen wird. Die Reibung realer Fluide wirkt sich nur in der Grenzschicht aus. Sie führt aber zu deren Ablösung und bildet auf der Rückseite des umströmten Körpers ein verwirbeltes Gebiet, in dem der Druck am Staupunkt nicht wieder aufgebaut werden kann. Die Aufteilung der Widerstandskräfte in Reibungsund Formwiderstand hängt von der Ausbildung der Strömung um den Körper ab. Eine längs angeströmte, dünne, ebene Platte setzt der Strömung fast ausschließlich Reibungswiderstand entgegen. Wird diese Platte aber senkrecht angeströmt, besteht der Strömungswiderstand fast nur aus dem Formwiderstand. Profilkörper haben sowohl einen Reibungs- als auch Druckwiderstand. In Bild 10.2 sind einige umströmte Körper dargestellt. längs angeströmte ebene Platte fast nur Reibungswiderstand
quer angeströmte Platte fast nur Druckwiderstand
Kugel Druckwiderstand>Reibungswiderstand
längs angeströmtes symmetrisches Profil Reibungswiderstand>Druckwiderstand
Bild 10.2: Formen des Strömungswiderstands umströmter Körper
Die Widerstandskraft eines umströmten Körpers hängt von der Form des Körpers und Richtung der Anströmung ab.
237
10 Umströmte Körper
Der gesamte Strömungswiderstand, auch Körperwiderstand genannt, setzt sich aus dem Reibungs- und Druckwiderstand zusammen. In der Technik können unterschiedliche Widerstandskräfte von Interesse sein. Bei Fahrzeugen sind der Strömungswiderstand in Fahrtrichtung und die Auftriebskraft relevant. Bei Gebäuden, Brücken und sonstigen baulichen Konstruktionen haben die Kräfte Bedeutung, die durch Wind verursacht werden. Je nach Erfordernissen müssen die Kraftkomponenten bestimmt werden. 10.2.1
Reibungswiderstand
Der Reibungswiderstand, auch Flächenwiderstand genannt, ist eine reine Reibungskraft, die auf die umströmte Fläche des Körpers ausgeübt wird. Sie ist die Resultierende aller Reibungskräfte, welche auf die Oberfläche des Körpers wirken. Der Reibungswiderstand ist auf die Oberfläche des Körpers und den Staudruck am Staupunkt bezogen. Fw
cf
c2 U O 2
(10.1)
Die umströmte Oberfläche des Körpers ist O und cf die Widerstandszahl (drag coefficient) für den Reibungswiderstand. Die Widerstandszahl hängt von der Reynoldszahl ab. Die charakteristische Länge des umströmten Körpers ist die Körpertiefe t (Länge des Körpers) in Strömungsrichtung. Für die Widerstandszahl wurden je nachdem, ob die Strömung laminar oder turbulent ist, unterschiedliche Gesetzmäßigkeiten ermittelt. Für die laminare Grenzschicht bei Körpern, an deren Staupunkt sich keine Turbulenzen ausbilden (Profilkörper), gilt: cf
1,328 Re 0.5 für Re 5 10 5
Rekrit
(10.2)
Auch bei Reynoldszahlen, die kleiner als die kritische Reynoldszahl sind, treten bei ebenen dünnen Platten bereits an der Vorderkante des Körpers Turbulenzen auf. Für diesen Fall ist die Widerstanszahl: cf
0,074 Re 0.2 für dünne Platten
(10.3)
Für hydraulisch glatte, umströmte Profilkörper erhält man: cf
0,445 >log( Re)@
2 , 58
cf
1'700 / Re
0,445 >log( Re)@
2 , 58
für 5 10 5 Re 10 7 für Re ! 10 7
(10.4)
238
10 Umströmte Körper
BEISPIEL 10.1: Widerstandskraft einer dünnen Platte Eine dünne Stahlplatte mit 2 m Länge und 1 m Breite wird mit Wasser parallel zur Länge mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s umströmt. Die Stoffwerte des Wassers sind: ρ = 998 kg/m3, ν = 10-6 m2/s Bestimmen Sie die Widerstandszahl und Widerstandskraft. Lösung Analyse Die Widerstandszahl wird mit Gl. (10.4). bestimmt. In der Reynoldszahl ist die Länge der Platte die charakteristische Länge. 2 m/s 2 m 10 6 m 2 /s
c l
Re
Q
cf
0,074 Re 0.2
4 10 6
0,00354
Die Widerstandskraft kann mit Gl. (10.1) berechnet werden. Da die Platte von beiden Seiten mit Wasser umströmt ist, beträgt die Oberfläche 2 m2. Fw
10.2.2
cf
c2 U O 2
0,00354
4 m 2 /s 2 998 kg/m 3 4 m2 2
28,3 N
Druck- oder Formwiderstand
Der Druckwiderstand ist die resultierende Kraft aller auf den umströmten Körper wirkenden Normaldruckkräfte. Es gibt ihn immer dann, wenn durch Ablösungen tote Strömungsgebiete auftreten und dadurch die bei einer reibungsfreien Strömung vorhandene Drucksymmetrie verloren geht (Bild 10.3). p
p c
Fh
Fv reibungsfrei
p c
p Fv
Fh
reibungsbehaftet
Bild 10.3: Entstehung des Druckwiderstandes
Am Staupunkt wirkt der dynamische Druck. Auf der Rückseite des Körpers entstehen Wirbel. Der damit verbundene Druckverlust verringert den Druck auf der Rückseite des Körpers, so dass dort ein tieferer Druck herrscht, der sogar kleiner als der statische Druck im Fluid werden kann. Der Druckwiderstand wird auf die Stirnoder Schattenfläche, d. h. die in Strömungsrichtung projizierte Fläche und auf den Staudruck der Anströmgeschwindigkeit bezogen.
239
10 Umströmte Körper
Fw
c
c2 U ASt 2
(10.5)
Der Druckwiderstand ist sehr stark von der Form des Körpers und der Anströmrichtung abhängig. Die Ermittlung der Druckwiderstandskraft ist durch Messung des Druckes direkt an der Oberfläche des Körpers möglich. Der Reibungswiderstand kann nur zusammen mit dem Druckwiderstand ermittelt werden. Bei turbulenter Grenzschicht ist der Druckwiderstand am kleinsten. Bei laminarer Grenzschicht ist der Reibungswiderstand am kleinsten. 10.2.3
Messung der Widerstandskräfte
Widerstandkräfte umströmter Körper ermittelt man in Windkanälen. Sie bestehen aus einem Ventilator, einem Gleichrichter und einer Messstrecke, in welcher der zu untersuchende Körper untergebracht wird. Je nach Ausführung kann der Windkanal einen offenen oder geschlossenen Kreislauf haben. Im geschlossenen Kreislauf wird das Fluid (meistens Luft) nach der Messstrecke zum Ventilator wieder zurückgeführt. Im offenen Kreislauf wird Luft von der Umgebung angesaugt und nach der Messstrecke wieder ausgeblasen. Im geschlossenen Kreislauf können ein anderer Druck als der Umgebungsdruck eingestellt und ein anderes Fluid als Luft verwendet werden. Um die Druckverluste gering zu halten, ist die Geschwindigkeit im Gleichrichter meist klein, die Strömung wird in einem Konfusor zur Messstrecke beschleunigt. Nach der Messstrecke ist ein Diffusor installiert, um Druckenergie zurückzugewinnen. Bild 10.4 zeigt einen offenen Windkanal. Gleichrichter Messstrecke Ventilator Modell
Konfusor
Diffusor Kraftmessanlage
Bild 10.4: Offener Windkanal
Je nach Größe des Windkanals und des zu untersuchenden Körpers kann entweder ein Körper in Originalgröße oder ein maßstabgerechtes Modell verwendet werden. Bei der Ermittlung an Modellen ist darauf zu achten, dass die Reynoldszahlen am Modell gleich groß wie am Original sind. Bei einem 1:10-Maßstab muss die Luftgeschwindigkeit in einem offenen Windkanal 10 mal größer sein als am Original, um die gleiche Reynoldszahl einzuhalten. Kann die Geschwindigkeit nicht ein-
240
10 Umströmte Körper
gehalten werden, muss die Messung in einem geschlossenen Windkanal mit höherem Druck durchgeführt werden. Windkanäle benötigen sehr große Leistungen. Daher wird heute meist der Simulation mit Computerprogrammen der Vorzug gegeben. Körper- und Druckwiderstand können im Windkanal gemessen werden. Der Körperwiderstand wird aus der Messung der Kraft, die auf den Körper wirkt, direkt bestimmt. Der Druckwiderstand ist aus der Messung des Druckes an der Körperoberfläche zu ermitteln. Dazu müssen dort Druckbohrungen angebracht werden, an denen der Druck gemessen wird. Aus den Drücken kann die Druckkraft in Strömungsrichtung berechnet und so die resultierende Kraft bestimmt werden. Der Reibungswiderstand ist die Differenz des Körper- und Druckwiderstandes. Bei Messungen ist zu beachten, auf welche Fläche die Widerstandskräfte bezogen werden. Beim Reibungswiderstand wurde sie auf die Oberfläche, beim Druckwiderstand auf die Stirnfläche bezogen. Der Körperwiderstand ist zwar die Summe des Reibungs- und Druckwiderstandes, bezieht sich aber auf die Stirnfläche des Körpers. Zur Ermittlung der Stirnfläche relativ komplizierter Körper, wie z. B. Kraftfahrzeuge, Gebäude usw. kann ein Schattenriss des Körpers abgebildet werden. Die auf den Körper wirkende Kraft sollte man am Flächenschwerpunk der Stirnfläche messen. Es treten auch Kräfte auf, die nicht parallel zur Strömungsrichtung verlaufen wie z. B. die Auftriebskraft an Fahrzeugen oder Tragflügeln. Natürlich können die Kraftkomponenten mit entsprechenden Einrichtungen getrennt gemessen werden. 10.2.4
Luftwiderstand der Fahrzeuge
Der Luftwiderstand der Fahrzeuge setzt sich aus dem Reibungswiderstand und Druckwiderstand des Fahrzeugs und dem Reibungswiderstand bei der Durchströmung von Kühlern, Lüftern usw. zusammen. Der Druckwiderstand ist wesentlich größer als die Reibungswiderstände. Er ist auf die Stirnseite des Fahrzeugs in Fahrtrichtung bezogen (Bild 10.5).
Bild 10.5: Bestimmung der Stirnfläche eines Fahrzeugs
Bei einem Fahrzeug spielen nicht nur die gegen Fahrtrichtung wirkende Kraft (Luftwiderstand), sondern auch die Auftriebs- und Seitenwindkraft eine Rolle.
10 Umströmte Körper
241
10.2.4.1 Luftwiderstand Die Widerstandskraft gegen die Fahrtrichtung beeinflusst wesentlich den Leistungsbedarf und Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs. Sie ist gegeben als: Fw
cw
c2 U ASt 2
(10.6)
Die Widerstandszahl cw hängt hauptsächlich von der Form des Fahrzeugs ab und wird fast nur vom Druckwiderstand bestimmt. Sie ist nur geringfügig von der Reynoldszahl abhängig. Besonders strömungsgünstige Fahrzeuge erreichen Werte von 0,2, Lastwagen mit Anhänger dagegen Werte von ca. 1,0. Die heutigen PKWs haben Werte um 0,3. Die Geschwindigkeit c ist die relative Geschwindigkeit des Fahrzeugs zur Luft. Bei Windstille entspricht sie der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die zur Überwindung des Luftwiderstandes notwendige Leistung Pw ist: Pw
c Fw
cw
c3 U ASt 2
(10.7)
Sie steigt mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit an. BEISPIEL 10.2: Luftwiderstandszahl eines Autos In einem Windkanal wird mit einem 1:12-Modell eines Autos die Kraft, die auf das Modell wirkt, bei verschiedenen Luftgeschwindigkeiten gemessen. Aus dem Schattenriss des Modells ermittelte man für die Stirnseite eine Fläche von 161,3 cm2. Die Temperatur im Windkanal betrug 20 °C. Folgende Daten wurden registriert: Luftgeschwindigkeit m/s 20 40 60 80 100
Druck im Windkanal bar 0,978 0,977 0,975 0,972 0,969
Wirkkraft N 1,19 4,61 10,05 17,98 27,63
a) Bestimmen Sie die Widerstandszahl cw. b) Das Original fährt beim Luftdruck von 0,98 bar und einer Temperatur von 20 °C mit der Geschwindigkeit von 150 km/h. Welche Leistung ist zur Überwindung des Luftwiderstandes notwendig?
242
10 Umströmte Körper
Lösung Analyse a) Die Widerstandszahl cw kann mit Gl. (10.6) berechnet werden. Die Dichte der Luft wird mit der Zustandsgleichung idealer Gase bestimmt. ρ = p/(R . T) cw = 2 . Fw/(c2 . ρ . ASt) c p Fw m/s bar N kg/m3 20 0,978 1,19 1,163 0,317 40 0,977 4,61 1,162 0,307 60 0,975 10,05 1,159 0,299 80 0,972 17,98 1,156 0,301 100 0,969 27,63 1,152 0,297 Grafische Darstellung der Messergebnisse:
Widerstandszahl
0,32
0,31
0,30
0,29 0
20
40 60 Geschwindigkeit in m/s
80
100
Man sieht, dass die Widerstandszahlen bei höheren Geschwindigkeiten, d. h. größeren Reynoldszahlen, konstant bleiben, weil der Widerstand hauptsächlich ein Formwiderstand ist. b) Die notwendige Leistung des Originals kann bei 150 km/h mit Gl. (10.7) bestimmt werden. Die Stirnfläche des Originals ist 144 mal größer als die des Modells, also 2,323 m2. Pw
cw
c3 U ASt 2
0,3
41,7 3 m 3 /s 3 1,165 kg/m 3 2,323 m 2 2
29,44 kW
Diskussion Die Übertragbarkeit vom Modell auf das Original verlangt identische Reynoldszahlen. Beim Modellmaßstab von 1:12 müsste die Geschwindigkeit im Windkanal 12 mal größer, also 500 m/s sein. Da sich die Widerstandszahl mit zunehmender Reynoldszahl nicht ändert, ist die Übertragbarkeit möglich.
10 Umströmte Körper
243
10.2.4.2 Auftrieb Die Auftriebskraft FA wirkt gegen die Erdanziehungskraft (Bild 10.6). Sie berechnet sich ähnlich wie die Luftwiderstandskraft: FA
cA
c2 U ASt 2
(10.8)
Bild 10.6: Auftriebskraft an einem Fahrzeug
Die Widerstandszahlen cA für die Auftriebskraft liegen zwischen 0,1 und 0,3. Durch die Auftriebskraft wird das Gewicht des Fahrzeugs verringert oder erhöht, je nachdem, ob cA positiv oder negativ ist. Bei den Geschwindigkeiten, die im normalen Strassenverkehr gefahren werden, ist die Auftriebskraft im Vergleich zum Fahrzeuggewicht relativ gering. Ein PKW mit einer Stirnfläche von 2 m2 und einem cAWert von 0,2 hat bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h eine Auftriebskraft von ca. 1'250 N. Das entspricht etwa 8 % der Gewichtskraft des Autos. Bei leichten und schnellen Fahrzeugen wie im Automobilrennsport spielt die Auftriebskraft jedoch eine entscheidende Rolle und wird zusätzlich durch verstellbare Flügel beeinflusst. 10.2.4.3 Seitenwindkraft Ist die Luftgeschwindigkeit nicht gegen die Fahrtrichtung gerichtet, was durch Seitenwind hervorgerufen werden kann, wirkt auf das Fahrzeug eine in der Horizontalen senkrecht zur Fahrtrichtung gerichtete Seitenkraft. Sie wird als Seitenwindkraft FS bezeichnet und ist gegeben als: FS
cS
c2 U ASt 2
(10.9)
Die Widerstandszahl cS hängt von der Form des Fahrzeugs ab und wird zusätzlich sehr stark vom Winkel der Luftgeschwindigkeit beeinflusst. Die Geschwindigkeit cS in Gl. (10.9) erhält man aus der vektoriellen Addition der Fahrzeug- und Windgeschwindigkeit. Der Winkel für die Seitenwindkraft ist der Winkel zwischen der resultierenden Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitskomponente in Fahrtrichtung. Hat ein Fahrzeug bei dem Winkel von 5° die Widerstandszahl 0,2, wächst sie bei einem Winkel von 30° auf 1,0 an.
244
10 Umströmte Körper
10.2.5
Widerstandszahlen der Körper verschiedener Formen
Die Widerstandszahlen umströmter Körper hängen von der Körperform und Richtung der Anströmung ab. Sie können nicht analytisch ermittelt werden. Entweder werden sie im Windkanal oder mit Computermodellrechnungen bestimmt. Für einige regelmäßige, geometrische Formen sind in Tabelle 10.1 Widerstandszahlen gegeben. Sie gelten für den Körperwiderstand und sind auf die Stirnfläche und Anströmgeschwindigkeit bezogen. Bei einer Kugel und einem unendlich langen Zylinder ist die Widerstandszahl von der Reynoldszahl abhängig. Bei Reynoldszahlen, die kleiner als 1 sind, spricht man von schleichender Umströmung, d. h., die Strömung löst sich nicht von der Oberfläche ab, die Grenzschicht bleibt erhalten und Stromlinien schließen sich nach der Umströmung. Der Druckwiderstand ist nicht vorhanden, der Körperwiderstand entspricht dem Reibungswiderstand. In einem Übergangsgebiet von Re = 103 bis Re = 3 . 105 folgt die kritische Umströmung mit einem beinahe konstanten Wert für cw. Bei Re = 3 bis 4 . 105 folgt der Übergang zur überkritischen Strömung. In Bild 10.7 sind die Widerstandszahlen als Funktion der Reynoldszahl dargestellt. 2,00 Zylinder 1,00 0,50 Kugel
cw 0,20 0,10 0,05
10 3
10 4
Re = w . d / Q
10 5
10 6
Bild 10.7: Widerstandszahlen für Kugel und Zylinder
Auch bei den übrigen in Tabelle 10.1 aufgeführten Körpern ist die Widerstandszahl von der Reynoldszahl abhängig.
245
10 Umströmte Körper
Tabelle 10.1: Widerstandszahlen symmetrischer Körper [10.7]
Körper
Anströmung
ebene dünne Kreisplatte senkrecht ebene dünne Rechteckplatte senkrecht endlicher Kreiszylinder senkrecht Hohlkugel offen Hohlkugel offen Hohlkugel geschlossen Ellipsoid Ellipsoid Würfel Würfel profilierte Strebe quadratisches Prisma quadratisches Prisma 10.2.6
offene Seite gewölbte Seite gewölbte Seite senkrecht senkrecht senkrecht diagonal senkrecht senkrecht diagonal
Bemerkung
l/d = 1 l/d = 2 l/d = 10
l/d = 5/9 l/d = 5/9 t/d = 5 l unendl. l unendl.
cw 1,10 1,10 0,91 0,68 0,82 1,33 0,34 0,40 0,10 0,50 1,05 0,8 0,06 2,05 1,55
Re
105 105 106
Schwebegeschwindigkeit
Körper, die sich innerhalb eines Fluids im freien Fall bewegen, erfahren zunächst eine Beschleunigung, erreichen dann die Maximalgeschwindigkeit cmax, die nicht weiter ansteigt. Diese Geschwindigkeit ist die Schwebegeschwindigkeit (terminal velocity). Beim Erreichen der maximalen Geschwindigkeit ist die Widerstandskraft Fw gleich Gewichtskraft G abzüglich Auftriebskraft A. FW
G A V g (UK UF )
(10.10)
Aus Gl. (10.6) kann die Widerstandskraft eingesetzt und nach der Geschwindigkeit aufgelöst werden. cmax
2 V g ( U K U F ) ASt U F cw
(10.11)
4 d g (U K U F ) 3 U F cw
(10.12)
Für eine Kugel erhält man: c max
246
10 Umströmte Körper
BEISPIEL 10.3: Fallgeschwindigkeit zweier Kugeln Man lässt eine Kugel aus Styropor und eine aus Stahl mit je 10 mm Durchmesser fallen. Die Dichte des Styropors ist 70 kg/m3, die des Stahl 8'000 kg/m3 und jene der Luft 1,18 kg/m3. Die Widerstandszahl beider Kugeln beträgt 0,49. Berechnen Sie die Schwebegeschwindigkeiten. Lösung Annahme •
Die Widerstandszahl der Kugeln ist von der Reynoldszahl unabhängig.
Analyse Die Fallgeschwindigkeit kann mit Gl. (10.12) bestimmt werden. Für beide Kugeln erhalten wir: c Styropor
4 d g (UK UF ) 3 U F cw 4 d g (UK UF ) 3 U F cw
c Stahl
4 0,01 9,81 (70 1,18) 3 1,18 0,49 4 0,01 9,81 (8'000 1,18) 3 1,18 0,49
3,9 m/s
42,1 m/s
Diskussion Aufgrund größerer Dichte fällt die Stahlkugel mehr als 10 mal schneller als die Styroporkugel. Für die Stahlkugel erhalten wir eine Reynoldszahl von ca. 30'000. Entsprechend des Diagramms in Bild 10.7 ist die Widerstandszahl bei diesen Reynoldszahlen konstant. Damit ist die angenommene konstante Widerstandszahl richtig.
10.3
Wirbelablösungen an zylindrischen Körpern
Bei der senkrechten Anströmung zylindrischer Körper entstehen bei Reynoldszahlen oberhalb von 50 Wirbelablösungen (vortex shadding). Am Zylinder bilden sich Wirbel, die sich ablösen und in der Strömung erhalten bleiben. Bildung und Ablösung der Wirbel erfolgen periodisch abwechselnd von der oberen und unteren Seite des Zylinders. Bild 10.8 zeigt den Wirbelbildungsvorgang. Bei der Ablösung entstehen auf der Rückseite des Zylinders Druckänderungen, die auf den Zylinder periodisch abwechselnde Kräfte ausüben.
10 Umströmte Körper
247
c0
Bild 10.8: Wirbelablösungen am Zylinder
Das Pfeifen von Drähten im Wind wird zum Beispiel durch Wirbelablösungen hervorgerufen. Dies ist für Ingenieure ein Phänomen, das bei der Auslegung von Apparaten, in denen Körper quer angeströmt werden, von Bedeutung ist. Durch Wirbelablösungen wurden z. B. Rohrbündel von Wärmeübertragern beschädigt und es traten akustische Probleme mit unzulässigen Lärmbelästigungen auf. Versuche zeigen, dass die Frequenz der Wirbelablösungen durch die Struhalzahl S angegeben werden kann, die wiederum von der Reynoldszahl abhängt. Die Struhalzahl S ist definiert als: S
nd c0
(10.13)
Dabei ist n die Frequenz der Wirbelablösungen, die Struhalfrequenz genannt wird, d der Durchmesser des angeströmten Körpers und c0 die Anströmgeschwindigkeit. Bei Reynoldszahlen unterhalb von 105 hat die Struhalzahl quer angeströmter zylindrischer Einzelkörper einen Wert von ca. 0,2. Darüber liegen die Werte zwischen 0,17 und 0,32. Die Geometrie, die Oberflächenbeschaffenheit und bei Rohrbündeln die Anordnung der Rohre sind weitere Einflussgrößen. In Rohrbündeln, in denen die Ablösung von einer Rohrreihe die Ablösefrequenz nachfolgender Reihen beinflusst, wurden Struhalzahlen von bis zu 1,6 gemessen. Ist die Struhalfrequenz, die durch die Struhalzahl gegeben ist, in der Nähe der Eigenfrequenz des angeströmten Körpers, kann dieser durch Resonanz in so starke Schwingungen geraten, dass Schäden (Ermüdungsbruch, Kollosion) auftreten. Die Tacuma-Narrows-Hängebrücke, eine große Brücke mit einigen 100 m Spannweite im amerikanischen Staat Washington, geriet 1940 bei Windgeschwindigkeiten von ca. 70 km/h in so starke Schwingungen, dass sie auseinander brach. Zu jeder Struhalfrequenz gehört auch eine akustische Wellenlänge. Sind die Strömungsbegrenzungen gleicher Länge, können Resonanzen auftreten, die zwar keine Beschädigung von Bauteilen verursachen, jedoch unzulässige Lärmbelästigungen erzeugen. Bei der Konstruktion und Auslegung von Apparaten, Bauten usw., die von einem Fluid angeströmt werden, muss der Ingenieur untersuchen, ob die Wirbelablösungen nicht zu unzulässigen Resonanzen führen.
248
10 Umströmte Körper
BEISPIEL 10.4: Akustische Resonanz in einem Rohrbündel In einem von Dampf angeströmten Rohrbündel wird eine Struhalzahl von 1,04 ermittelt. Die Rohre des Rohrbündels haben den Durchmesser von 15 mm. Sie sind oben und unten durch Leitbleche abgeschlossen, die einen Abstand von 0,450 m haben. Die Schallgeschwindigkeit des Dampfes ist 517 m/s. Bestimmen Sie, bei welcher Anströmgeschwindigkeit die Wellenlänge, die zur Struhalfrequenz gehört, so groß wie der Abstand der Leitbleche ist und dadurch eine akustische Resonanz verursacht.
Schema
450 mm
Lösung c0
Siehe Skizze
Annahme •
Die Struhalzahl ist auf den Außendurchmesser der Rohre bezogen.
Analyse Die Wellenlänge einer akustischen Schwingung beträgt:
Oa
a n
Die Frequenz n, die zu einer Wellenlänge von 0,45 m gehört, ist: n = a / la = (517 m/s) / 0,45 m = 1'149 Hz. Mit Gl. (10.13) erhalten wir für die Anströmgeschwindigkeit: c0
nd S
1'149 s 1 0,015 m 1,04
16,6 m/s
Diskussion Wird dieses Rohrbündel mit der Geschwindigkeit von 16,6 m/s angeströmt, treten im Bündel Resonanzen auf, die bei einer Frequenz von 1'149 Hz hörbare Schallwellen erzeugen. Je nach Größe des Bündels und Massenstroms kann der Schallpegel Werte erreichen, die eine unzulässige Lärmbelästigung zur Folge haben.
249
10 Umströmte Körper
10.4
Druckverlust in quer angeströmten Rohrbündeln
Bei der Optimierung von Wärmeübertragern spielen die Reibungsdruckverluste in Rohrbündeln eine wichtige Rolle. Zu große Reibungswiderstände können zu beträchtlichen Energieverlusten oder bei Flüssigkeiten in der Nähe der Sättigungstemperatur zur Ausdampfung führen. Prinzipiell werden Widerstandszahlen ζ einzelner Rohrreihen (auch Hauptwiderstände genannt) angegeben. Damit berechnet sich der Reibungsdruckverlust des Bündels als:
'p v
] n
ce2 U 2
(10.14)
Die Anzahl der Rohrreihen quer zur Strömungsrichtung (Hauptwiderstände) ist n, ce die Strömungsgeschwindigkeit an der engsten Stelle [10.1 bis 10.3]. Die Widerstandszahlen, die Anzahl Rohrreihen und Geschwindigkeit an der engsten Stelle werden je nach Anordnung und Form der Rohre bestimmt. Wir beschränken uns hier auf zylindrische, unberippte (glatte) und berippte Rohre. 10.4.1
Zylindrische glatte Rohre
Bild 10.9 zeigt mögliche Anordnungen der Rohre.
1.
s2
2.
1.
s2
1. s 2
2.
2.
ce c0
s1
ce
c0
c0 s1
ce
s1 ce
s3 a: fluchtend
b: versetzt
c: versetzt
s3
Bild 10.9: Bestimmung des engsten Querschnitts und der Anzahl der Rohrreihen
Die folgenden dimensionslosen Längen a, b und c werden eingeführt: a
s1 / d
b
s2 / d
c
s3 / d
Für die Geschwindigkeit am engsten Querschnitt erhalten wir:
(10.15)
250
10 Umströmte Körper
ce
s1 a für Anordnung a und b °c 0 s d c 0 a 1 ° 1 ® s1 a °c c0 für Anordnung c °¯ 0 2 ( s3 d ) 2 (c 1)
(10.16)
Die Geschwindigkeit c0 ist die freie Anströmgeschwindigkeit vor dem Eintritt ins Bündel. In Bild 10.9 ist zu sehen, dass bei versetzter Anordnung c (engster Querschnitt in der Diagonale) die Rohre einer Rohrreihe nicht in einer Linie, sondern in der Reihe selbst versetzt angeordnet sind. Für Rohrbündel mit mehr als 10 Rohrreihen wurden bei isothermer Strömung für fluchtend und versetzt angeordnete Rohre unterschiedliche Gesetzmäßigkeiten gefunden. Für Bündel mit fluchtender Rohranordnung gilt:
]f
§
] l , f ] t , f ¨¨1 e
Re 1'000 2'000
©
· ¸ ¸ ¹
(10.17)
wobei ζl die laminare und ζt die turbulente Reibungszahl ist. Sie hängen von der Rohranordnung und Reynoldszahl ab.
] l, f
] t, f
280 S [(b 0,5 0,6) 2 0,75] (4 a b S ) a1, 6 Re
(10.18)
b 1,5 a 0, 6 °ª ½° 0,b1 a 1, 2 (1 0,94 / b ) º a 10 0 , 03 ( a 1 ) ( b 1 ) ®«0,22 ¾ Re » 1,3 ( a 0,85) °¯¬ °¿ ¼
(10.19)
Für Bündel mit versetzter Rohranordnung gilt:
]v
§
] l ,v ] t ,v ¨¨1 e ©
] l ,v
] t ,v
280 S [(b 0, 5 0,6) 2 0,75] ° 1, 6 ° (4 a b S ) a Re ® 0,5 2 ° 280 S [(b 0,6) 0,75] 1 , 6 ° (4 a b S ) c Re ¯
Re 200 2'000
· ¸ ¸ ¹
(10.20)
für b t
1 2 a 1 2
für b
1 2 a 1 2
2,5 1,2 (a 0,85) 1,08 0,4 (b / a 1) 3 0,01 (a / b 1) 3 Re 0, 25
(10.21)
(10.22)
Die Reynoldszahl wird dabei mit der Geschwindigkeit ce an der engsten Stelle, die Stoffwerte mit der mittleren Temperatur des Fluids berechnet.
251
10 Umströmte Körper
Bei nicht isothermer Strömung und bei weniger als 10 Rohrreihen müssen noch der Einfluss der Temperatur und der Einfluss der Anzahl der Rohrreihen berücksichtigt werden. Hier werden Korrekturfaktoren für den laminaren und turbulenten Anteil gegeben. 0 , 57 n 0 , 25
fl
§ KW ¨¨ © K
· [( 4a b / S 1) Re10]0, 25 ¸¸ ¹
ft
f t ,n
mit n 10 für n ! 10
§ KW ¨¨ © K
· ¸¸ ¹
0 ,14
(10.24)
§1 ©n
1· ¸ 10 ¹
]0
1 / a 2 für Anordnung a und b ° 2 ®§ 2 (c 1) · ¨ ¸ °¨ ¸ für Anordnung c ¯© a (a 1 ¹
] 0 ¨
(10.23)
für n t 5 und mit n 10 für n ! 10
(10.25)
Zusammenfassend können für fluchtende und versetzte Rohranordnungen folgende Formeln angegeben werden:
]f
§
] l , f f l (] t , f f t f t , n ) ¨¨1 e
Re 1'000 2'000
©
]v
§
] l ,v f l (] t ,v f t f t ,n ) ¨¨1 e
Re 200 2'000
©
· ¸ ¸ ¹
· ¸ ¸ ¹
(10.26)
(10.27)
Der Gültigkeitsbereich für die hier angegebenen Beziehungen ist:
1 d Re d 300'000 n t 5
1,25 d a d 3
0,6 d b d 3
Weitere Angaben zu ovalen und kreuzweise angeordneten Rohren findet man in [10.1]. Werte für einzelne Rohre und Rohrreihen sind in [10.2] angegeben. BEISPIEL 10.5: Druckverlust in einem Rohrbündel Im Außenraum des skizzierten Kühlers mit 15 Rohrreihen strömen 30 m3/h Öl. Es wird von 85 °C auf 75 °C abgekühlt. Die mittlere Wandtemperatur ist 40 °C. Der Außendurchmesser der Rohre beträgt 15 mm, die Länge 0,35 m. Die Stoffwerte des Öls sind: ρ = 820 kg/m3, h = 0,0165 kg/(m . s), ηW = 0,086 kg/(m . s) Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust.
252
10 Umströmte Körper
Lösung
s
Schema
s1
Siehe Skizze
21
2
21
15
Annahme •
Die Strömung ist stationär.
Analyse Zunächst wird die freie Anströmgeschwindigkeit bestimmt. Die Höhe des Bündels mit 5 Rohren pro Reihe ist: 5 . 21 mm = 0,105 m. Damit wird die freie Anströmgeschwindigkeit: V A
c0
V H L
0,3 m 3 h 3'600 s h 0,105 m 0,35 m
0,227 m/s
Die Strömungsgeschwindigkeit an der engsten Stelle wird nach Gl. (10.15) berechnet. a
s1 / d
1,4
b
s2 / d
ce
1,4
c0
a a 1
0,794 m/s
Die Reynoldszahl ist: ce d U
Re
K ] l, f
] t, f
0,794 m/s 0,015 mm 820 kg/m 3 0,0165 kg/(m s) 280 S [(b 0,5 0,6) 2 0,75] (4 a b S ) a 1, 6 Re
592
0,246
b 1,5 a 0 ,1 a °ª ½° 1,2 (1 0,94 / b) 0,6 º a b 10 0 , 03 ( a 1 ) ( b 1 ) Re ®«0,22 ¾ » (a 0,85)1,3 ¼ °¯¬ °¿ 0 , 57 n 0 , 25
fl
§ KW ¨¨ © K
]f
· ¸¸ ¹
[( 4 a b / S 1) Re 10 ]0 , 25
1,136
§
] l , f f l (] t , f f t f t ,n ) ¨¨1 e ©
ft
§ KW ¨¨ © K
Re 1'000 2 ' 000
· ¸ ¸ ¹
· ¸¸ ¹
0 ,14
1,26
0,462
0,263
253
10 Umströmte Körper
Der Reibungsdruckverlust des Bündels ist nach Gl. (10.13):
'p v
] n
ce2 U 2
0,461 15
0,794 2 m 2 /s 2 820 kg/m 3 2
1'788 Pa
Diskussion Die Berechnung des Druckverlustes ist aufwändig. Es empfiehlt sich, Programme zu erstellen bzw. die zum Buch abrufbare Software zu verwenden. 10.4.2
Zylindrische Rippenrohre
Bei Rohrbündeln mit Rippenrohren hat die Geometrie der Rippe einen starken Einfluss auf die Reibungszahl. Hier werden nur Rohrbündel mit Kreis- und Spiralrippen behandelt. Bei Bündeln mit sehr hohen Rippen sind diese meist noch mit Strukturen versehen. Es ist wichtig, die Reibungszahlen vom Hersteller zu erfragen bzw. garantieren zu lassen. Beziehungen für ovale Rippenrohre können in [10.1, 10.4, 10.5] gefunden werden. Die Reynoldszahl ist hier wie bei Glattrohren auf die Strömung im engsten Querschnitt bezogen. Die Fläche des engsten Querschnitts ist definiert wie bei Glattrohren, die Versperrung durch die Rippen muss aber zusätzlich berücksichtigt werden. Die für die Geometrie der Rippen verwendeten Symbole sind in Bild 10.10 dargestellt. t
s
h
d
Bild 10.10: Geometrie eines Rippenrohrs mit Kreisrippen
ce
a °c0 a 1 2 s h /(t d ) ° ® a °c 0 °¯ 2 [c 1 2 s h /(t d )]
für Anordnung a und b für Anordnung c
(10.28)
254
10 Umströmte Körper
Für versetzte Rohranordnung gelten folgende Beziehungen:
]v
] 0,v ( Re) a 0,55 b 0,5 (1 t / d )1,8 (1 h / d ) 1, 4
] 0,v ( Re)
290 Re 0.7 °° 0.25 ®13 Re ° °¯0,74
(10.29)
für 10 2 Re 103 für 103 d Re d 105 für 105 Re 1,4 10 6
(10.30)
Für fluchtende Rohranordnung gilt:
]f
] 0, f ( Re) a 0,5 b 0,5 (t / d ) 0,7 (h / d ) 0,5
(10.31)
°5,5 Re 0.3 °¯0,23
(10.32)
] 0, f ( Re) ®
für 3 10 3 Re d 4 10 4 für 4 10 4 Re 1,4 10 6
Die angegebenen Beziehungen gelten für Bündel mit 5 oder mehr Rohrreihen. Für Bündel mit weniger als 5 Rohrreihen ist ein Korrekturfaktror fn gegeben, mit dem die Reibungszahl multipliziert wird. In Tabelle 10.2 sind die Korrekturfaktoren für versetzte und fluchtende Anordnung gegeben. Tabelle 10.2: Korrekturfaktoren fn für Bündel mit weniger als 5 Rohrreihen
n 1 2 3 4
versetzt 1,50 1,25 1,10 1,02
fluchtend 2,200 1,500 1,150 1,025
BEISPIEL 10.6: Druckverlust in einem Rohrbündel mit Rippenrohren Die Rippenrohre des Zwischenüberhitzers einer Nuklearanlage mit 25 Rohrreihen werden von Dampf mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s angeströmt. Der Außendurchmesser der Rippen ist 5/8'', die Höhe der Rippen 0,05'', die Rippendicke 0,01''. Pro 1'' Rohrlänge befinden sich 25 Rippen. Die Skizze zeigt die Anordnung der Rohre. Die Stoffwerte des Dampfes sind: ρ = 4,854 kg/m3, η = 15,89 . 10-6 kg/(m s), ηW = 22,78 . 10-6 kg/(m s) Bestimmen Sie den Reibungsdruckverlust im Bündel.
255
10 Umströmte Körper
Lösung
s2
Schema
d
Siehe Skizze c0
Annahme •
5/8"
s1
Die Strömung ist stationär.
13/16''
Analyse
13/32''
Zunächst werden die in Zoll angegebenen Größen in metrische Einheiten umgerechnet. D = 15,875 mm, h = 1,27 mm, s = 0,254 mm, s2 = 10,3188 mm, s3 = 20,6375 mm t 1,016 mm a
d
s1 / d
D 2 h 13,335 mm 2,681
b
s2 / d
0,774
s1
2 3 s2 c
s3 / d
35,7452 mm 1,548
Die Geschwindigkeit an der engsten Stelle wird nach Gl. (10.28) bestimmt. ce
a c0 2 [c 1 2 s h /(t d )]
2,681 6 m/s 2 [1,548 1 2 0,254 1,27/(1,016 13,335)]
26,81 m/s
Die Reynolds- und Widerstandszahl berechnen sich als: Re
ce d U
K
26,81 m/s 0,013335 m 4,854 kg/m 3 15,89 10 6 kg/(m s)
109'193
Da Re > 10 5 ist, erhalten wir aus Gl. (10.30) für ζ0,v den konstanten Wert von 0,74.
]v
0,74 a 0,55 b 0,5 (1 t / d )1,8 (1 h / d ) 1, 4
0,488
Damit ist der Druckverlust:
'p v
] v n
ce2 U 2
0,488 25
Diskussion In diesem Fall nicht notwendig.
26,812 m 2 /s 2 4,854 kg/m 3 2
21'269 Pa
256
10 Umströmte Körper
10.5
Tragflügel
10.5.1
Einleitung
Der Name Tragflügel (air foil) kommt aus der Flugzeugtechnik. Tragflügel geben dem Flugzeug den notwendigen Auftrieb. Es sind flache, stromlinienförmige Körper, an denen durch Anströmung möglichst große, senkrecht zur Strömungsrichtung gerichtete Auftriebskräfte erzeugt werden. Dabei sollen die Widerstandskräfte in Strömungsrichtung möglichst klein gehalten werden. Die Kenntnis der Strömungs- und Kraftverhältnisse ist nicht nur für den Flugzeugingenieur, sondern auch für die Berechnung und Auslegung von Strömungsmaschinen wichtig. Die Beschaufelungen von Turbinen und Pumpen, Stellklappen und Umlenkgittern haben tragflügelähnliche Profile, deren Berechnung nach den gleichen Gesetzen wie beim Flugzeugtragflügel erfolgt. Die Auftriebskraft wird dadurch erzeugt, dass die Geschwindigkeit oben am Tragflügel größer als unten ist. Nach dem Energiesatz ist der Druck damit auf der oberen Seite des Tragflügels kleiner als auf der unteren. Die Strömungsvorgänge am Tragflügel sind recht komplex, so dass die Bestimmung der Geschwindigkeiten nicht ohne weiteres möglich ist. Im Folgenden werden theoretische Ansätze zur Beschreibung der Strömung an einem Tragflügel beschrieben. 10.5.2
Tragflügeltheorie
Auftriebskraft entsteht durch die Impulsänderung der abgelenkten Strömungsmasse. Diese Erscheinung kann an einem umströmten rotierenden Zylinder beobachtet werden. Bei folgenden Überlegungen bleiben die Reibungskräfte unberücksichtigt, da sie für die Beschreibung der Auftriebskräfte irrelevant sind. FA
c u . r = konst. c
0
cu a)
b)
c0 c)
Bild 10.11: Rotierender Zylinder in einer Parallelströmung Bringt man einen Zylinder (Bild 10.11a) in eine parallele Strömung, die ihn senkrecht zur Zylinderachse anströmt, entsteht keine Auftriebskraft. Lässt man den Zylinder in einem ruhenden Fluid um seine Achse rotieren (Bild 10.11b), wirkt auf ihn ebenfalls keine Auftriebskraft. Um den Zylinder entsteht eine Zirkulationsströmung, die als Potentialwirbel bezeichnet wird. Lässt man den Zylinder in einer Parallelströmung um seine Achse rotieren, überlagert sich die Parallel- mit der Zirkulationsströmung, es entsteht eine Auftriebskraft, die auf ihn wirkt (Bild 10.11c). Die Geschwindigkeit wird auf der oberen Sei-
10 Umströmte Körper
257
te des Zylinders durch die Rotation vergrößert und auf der unteren verringert. Nach dem Energiesatz sind die Geschwindigkeitserhöhung mit Druckabsenkung und die Verringerung mit Druckerhöhung verbunden. Durch die Rotation wird die Strömung um den Zylinder asymmetrisch. Diese Erscheinung wurde nach ihrem Entdecker Magnus-Effekt benannt. Die Umströmung eines Tragflügels kann man sich ebenfalls als eine Überlagerung von Parallel- und Zirkulationsströmung vorstellen (Bild 10.12). cu
ds c0
Parallelströmung
Zirkulationsströmung
zusammengesetzte Strömung
Bild 10.12: Strömung um einen Tragflügel
Die Stärke der Zirkulationsströmung um den Tragflügel wird mit Zirkulation Γ bezeichnet und mathematisch folgendermaßen ausgedrückt:
*
³c
u
ds
(10.33)
Nach dem Satz von Kutta und Joukowosky ist die Auftriebskraft in einer reibungsfreien Strömung gegeben als: Fa
U c0 b *
(10.34)
Die Breite des Tragflügels ist b. Da die Strömung um den Tragflügel nicht einfach berechnet werden kann, eignet sich Gl. (10.34) auch nicht für eine Berechnung der am Tragflügel wirkenden Auftriebskraft. Heute kann man die Strömung um den Tragflügel und die Auftriebskraft mit Computerprogrammen analysieren. Hier werden einige Methoden gezeigt, die für überschlägige Berechnungen geeignet sind. 10.5.3
Kräfte am unendlich breiten Tragflügel
Zunächst werden die Begriffe, welche die Geometrie eines Tragflügels beschreiben, erklärt (Bild 10.13). Bei den auf der unteren Seite konkaven Profilen ist die Profilsehne die Tangente an der Profilunterseite zur Hinterkante. Bei beidseitig konvexen oder symmetrischen Profilen wird die Verbindungslinie zwischen dem vorderen Nasenpunkt und der Hinterkante als Profilsehne bezeichnet. Der Anstellwinkel α ist der Winkel zwischen Profilsehne und Anströmgeschwindigkeit. Profillänge l bezeichnet den Abstand zwischen Nasenpunkt und Hinterkante, Profilbreite b oder Spannweite die Länge des Profils.
258
10 Umströmte Körper
FN c0
FT R
Fa Nasenpunkt
Profilsehne
Fw
D s
l
Bild 10.13: Kräfte, die auf den Tragflügel wirken
Kräfte, die auf einen Tragflügel wirken, werden auf die Tragflügelfläche AT und den Staudruck der Anströmgeschwindigkeit bezogen. Die Tragfläche ist das Produkt aus Profilbreite b und Profillänge l. Die Auftriebskraft Fa und Widerstandskraft Fw werden mit den Widerstandszahlen ca und cw berechnet. Fa
ca
c02 U b l 2
ca
c02 U AT 2
FW
cW
c02 U b l 2
cW
c02 U AT 2
(10.35) (10.36)
Aus der Auftriebs- und Widerstandskraft erhält man die resultierende Kraft R. Die Normalkraft FN ist die senkrecht auf die Profilsehne wirkende Kraft. FN
Fa cos D FW sin D
(10.37)
Die Tangentialkraft FT ist die auf die Profilsehne tangential wirkende Kraft. FT
Fa cos D FW sin D
(10.38)
Diese Kräfte werden benötigt, um den Angriffspunkt auf dem Tragflügel zu finden. Das Moment M, das auf den Tragflügel im Angriffspunkt ausgeübt wird, ist: M
s FN
An der Flügelkante wirkt dann beim gleichen Moment die Kraft Fm. Diese Kraft kann aber mit einer auf den Angriffspunkt bezogenen Widerstandszahl, die als Momentenbeiwert cm bezeichnet wird, errechnet werden.
Fm
M l
cm
c02 U AT 2
Damit erhält man für die Lage des Angriffspunktes die Strecke s:
(10.39)
10 Umströmte Körper
M FN
s
cm l ca cos D cW sin D
259
(10.40)
Da der Anstellwinkel meist sehr klein ist, gilt näherungsweise: s
cm l ca
(10.41)
Das Verhältnis der Widerstandszahlen für den Strömungswiderstand und Auftrieb wird als Gleitzahl ε = cW /cA bezeichnet. Je kleiner die Gleitzahl ist, desto kleiner ist der auf den Auftrieb bezogene Strömungwiderstand. Widerstandszahlen hängen von der Formgebung des Profils und vom Anstellwinkel ab. Unter den verschiedenen grafischen Darstellungen für die Kräfteverhältnisse am Tragflügel ist das Polardiagramm nach Lilienthal am brauchbarsten. Es stellt die Auftriebswiderstandszahl als eine Funktion der Strömungswiderstandszahl und des Anstellwinkels dar. Bild 10.14 zeigt ein typisches Diagramm für ein Tragflügelprofil. Da sich die Widerstandszahlen mit der Reynoldszahl verändern, müssen für verschiedene Reynoldszahlen entsprechende Diagramme erstellt werden. Sie stammen meist aus Versuchen in Windkanälen. c a= f(cw )
ca
D
D
D
cw= f(cm)
c w ,c
m
D
Bild 10.14: Polardiagramm
Aus dem Diagramm kann man verschiedene Eigenschaften des Tragflügelprofils ablesen. Ein schnelles Profil muss einen geringen Strömungswiderstand haben. Seine Kurve sollte also möglichst nahe an der senkrechten Achse liegen.
260
10 Umströmte Körper
Ein steigfähiges Profil hat möglichst große Auftriebszahlen aufzuweisen. Außerdem hat die Oberflächenrauigkeit eines Profils einen grossen Einfluss auf sein Polardiagramm. 10.5.4
Induzierter Widerstand
Bei Tragflügeln endlicher Breite findet an deren Enden ein Druckausgleich zwischen Unter- und Oberseite statt. Dieser Druckverlust führt zu einer Minderung der Auftriebskraft. Am Flügelende werden Wirbel erzeugt, die eine vom Tragflügel weggerichtete Strömung verursachen. Die kinetische Energie dieser Strömung geht verloren. Ein zusätzlicher Verlust an Auftriebskraft ist der induzierte Widerstand. Diese Widerstandskraft wird mit der Widerstandszahl cwi berechnet. Fwi
c wi
c02 U AT 2
(10.42)
Prandtl leitete für die Widerstandszahl des induzierten Widerstandes folgende Beziehung her:
c wi
ca2 l S b
(10.43)
Aus Gl. (10.43) sieht man, dass mit zuunehmender Länge und abnehmender Breite der Tragfläche der induzierten Widerstand abnimmt. Dies ist insbesondere bei Segelflugzeugen wichtig. Moderne Verkehrsflugzeuge haben an den Flügelenden seitliche Leiteinrichtungen, um den induzierten Widerstand zu verringern.
10.6
Umströmung im Überschallbereich
Überschreitet die Geschwindigkeit bei der Umströmung eines Körpers an irgendeiner Stelle die lokale Schallgeschwindigkeit, treten dort Verdichtungsstöße auf, die das Strömungsbild wesentlich verändern. Hier hängt der Strömungswiderstand zusätzlich von der Machzahl ab. Bild 10.15 zeigt die Strömungsbilder einiger umströmter Körper.
c0
c0
c0
Totwasser
c0 Unterschallgebiet
Platte
spitzer Körper
stumpfer Körper
Bild 10.15: Strömungsbilder der mit Überschall umströmten Körper
Unterschallgebiet Kugel
261
10 Umströmte Körper
Bei der Platte entsteht an der Oberseite der Vorderkante eine Verdünnungswelle, an der Unterseite ein Verdichtungsstoß. An der Hinterkante treten umgekehrte Verhältnisse auf, um die ursprüngliche Strömungsrichtung wieder herzustellen. Bei einem spitzen Körper entstehen an der Spitze zwei schiefe Stoßfronten, an denen die Stromlinien geknickt werden. Bei stumpfen Körpern liegt der Verdichtungsstoß vor dem Körper, um den Staupunkt bildet sich ein Gebiet mit Unterschallströmung aus. Vor einer Kugel entsteht ebenfalls ein Unterschallgebiet, nach der Kugel bildet sich ein Totwassergebiet aus. Überschreitet die Machzahl den Wert 5, erfolgt im Hyperschallbereich eine weitere Veränderung der Strömungsbilder. Auch bei der Umströmung im Unterschallbereich verursacht die Kompressibilität des umströmenden Fluids verändernde Strömungsbedingungen, die zu berücksichtigen sind. Hier muss man zur Bestimmung der Widerstandszahlen die Abhängigkeit von der Machzahl beachten. Wegen der Verdichtungsstöße im Überschallgebiet verändern sich die Eigenschaften des Fluids vor und hinter der Stoßfront, es kommt zu Druck- und Temperaturerhöhungen am Staupunkt. 10.6.1
Druck und Temperatur am Staupunkt
Bei der Umströmung im Überschallbereich entsteht vor dem Staupunkt des Körpers eine Stoßfront. Die Umströmungsgeschwindigkeit sinkt von der Stoßfront zum Staupunkt auf null ab. Entsprechend der Energiegleichung erhöhen sich Druck und Temperatur (Bild 10.16). Bei isentroper Verdichtung gilt: Ts
§ N 1 · T0 ¨1 Ma02 ¸ 2 © ¹
N
ps
Stoßfront
§T p0 ¨¨ s © T0
· N 1 ¸ ¸ ¹
N
§ N 1 · N 1 p 0 ¨1 Ma02 ¸ 2 © ¹ ps
T
p
h - h0= cp(T - T0 )
c0 T c, p,T T0 p
T0
(10.44)
0
0
c0 0 0
Bild 10.16: Zustandsänderung an einer Stoßfront
s
p0
(10.45)
262
10 Umströmte Körper
Der Verdichtungsstoß erfolgt nicht reibungsfrei. Da die Änderung der kinetischen Energie nur durch die Geschwindigkeitsänderung von c0 auf null bestimmt ist, sind Enthalpie- und Temperaturänderung unabhängig von der Reibung. Die Temperatur am Staupunkt entspricht der Temperatur bei der isentropen Zustandsänderung. Der Druck p wird am Staupunkt kleiner als der Druck bei der isentropen Zustandsänderung sein (Bild 10.16). Der Druck muss nach Gl. (10.45) zusätzlich noch mit dem Faktor k multipliziert werden. In Bild 10.17 ist ein Diagramm für den Faktor k in Abhängigkeit von der Machzahl und Art und Anzahl der Verdichtungsstöße gegeben. 1,0 ß oß o t St oß rS er St de ad er ra er e rad 1g 1g ge e+ e+ +1 töß öß oß St eS St e f ief er hie ch i ef c ch ß 3s St o 1s der era 1g 2s
Druckverlustkorrektur k
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1
3 2 Mach zahl Ma
4
5
Bild 10.17: Druckverlustfaktor k
10.6.2
Widerstand umströmter Körper
Der Widerstand eines in Schallnähe oder im Überschallbereich umströmten Körpers setzt sich aus Reibungswiderstand, Druckwiderstand und Kräften, die durch Verdichtungsstöße erzeugt werden, zusammen. Eine exakte Berechnung des Gesamtwiderstandes ist mathematisch sehr aufwändig. In Bild 10.19 werden die Widerstandszahlen einiger Körper angegeben. 10.6.2.1 Ebene, parallel angeströmte dünne Platte Der Widerstand einer ebenen, parallel angeströmten dünnen Platte besteht fast ausschließlich aus dem Reibungswiderstand. Für inkompressible Strömungen wurden Formeln der Widerstandszahlen angegeben. In der kompressiblen Strömung nimmt die Widerstandszahl mit der Reynoldszahl stärker ab als in der inkompressiblen
10 Umströmte Körper
263
Strömung. Diese stärkere Abnahme wird durch einen von der Machzahl abhängigen Korrekturfaktor K, der im Diagramm in Bild 10.17 dargestellt ist, berücksichtigt. Die in Kapitel 10.1 ermittelte Widerstandszahl wird mit dem Korrekturfaktor K multipliziert. 1,0
0,8
Korrekturfaktor K
hydraulisch glatt 0,6
0,4 rau
0,2
0
2 Mach zahl
4
6
Bild 10.18: Korrekturfaktor K
10.6.2.2 Widerstand räumlicher Körper Bei räumlich ausgedehnten Körpern setzt sich der Widerstand aus dem Druckwiderstand und durch Verdichtungsstöße und Verdichtungswellen entstehendem Wellenwiderstand zusammen. Die Widerstandszahlen einiger Körper sind im Diagramm in Bild 10.19 in Abhängigkeit von der Machzahl angegeben. Es ist ersichtlich, dass der Widerstand mit der Machzahl zunächst zunimmt. 2,0
Kreisplatte
Widerstandszahl cw
1,5
Kreiszylinder Kugel
1,0
0,5
0
geschossartige Körper
0
1
2 Machzahl Ma
3
4
Bild 10.19: Widerstandszahlen einiger Körper
264
10 Umströmte Körper
10.6.2.3 Tragflügel Das in Kapitel 10.5.3 gezeigte Polardiagramm gilt für ein Tragflügelprofil bei einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit (Reynoldszahl). Die Widerstands- und Auftriebszahlen verändern sich mit der Anströmgeschwindigkeit. Die Machzahl hat einen weiteren Einfluss sowohl auf die Widerstands- als auch auf die Auftriebszahl. Da am Tragflügelprofil unterschiedliche Geschwindigkeiten existieren, kann auch schon bei der Anströmung im Unterschallbereich Überschallströmung auf der oberen Seite des Tragflügels auftreten. Bei Tragflügeln werden folgende Bereiche unterschieden: reine Unterschallströmung, örtliche Überschallgeschwindigkeit oder reine Überschallströmung. Bei Unterschallströmung nimmt die Auftriebszahl nach folgender Gesetzmäßigkeit zu:
ca ,inkompr
ca ,kompr
1 Ma02
(10.46)
Die Auftriebszahl wird mit zunehmender Geschwindigkeit größer. Dies gilt jedoch nur bis zu Machzahlen von 0,7 bis 0,8. Wird die Machzahl größer, treten örtlich Überschallgeschwindigkeiten und Stoßfronten auf, wodurch die Auftriebszahl verringert wird. Die Widerstandszahl kann mit einer solch einfachen Gesetzmäßigkeit nicht beschrieben werden. Sie hängt stark von der Form des Profils und Rauigkeit der Oberfläche ab und kann mit der Machzahl zu- oder abnehmen. In Bild 10.20 sind die Widerstands- und Auftriebszahlen für ein Tragflügelprofil aufgetragen. Man sieht, dass bei diesem Profil im Unterschallbereich die Auftriebszahl zunächst zu-, die Widerstandszahl abnimmt. Dann verringert sich die Auftriebszahl bei etwa Ma = 0,75 stark. Bei Ma = 0,9 vergrößern sich dann sowohl die Auftriebsals auch die Widerstandszahl. Bei höheren Machzahlen nehmen dann die Widerstands- und Auftriebszahl ab. Für dieses Profil ist Ma = 0,9 die kritische Machzahl, bei der an der oberen Seite des Profils die ersten Bereiche mit Überschallströmung und Verdichtungsfronten auftreten. Der Reibungswiderstand des Profils wird um einen so genannten Wellenwiderstand vergrößert. Bei Überschallströmung haben Profile mit spitzer Vorderkante eine wesentlich kleinere Widerstandszahl als solche mit dicker Profilnase. Schlanke Profile weisen bei etwa gleicher Auftriebszahl eine wesentlich kleinere Widerstandszahl auf. Unterschallbereich
transsonischer Bereich
Überschallbereich
cw , c a
ca
Wellenwiderstand
cw
Reibungswiderstand 0
0,5
1,0 1,5 Machzahl Ma
2,0
2,5
Bild 10.20: Widerstands- und Auftriebszahl eines Tragflügels
11
Einführung in nummerische Lösungsmethoden
Bei der Behandlung strömungstechnischer Probleme kommen zunehmend Computerprogramme, welche die Strömungen analysieren, zum Einsatz. Die Methodik vorhandener Programme wird besprochen. Anhand einiger einfacher Beispiele werden Ansätze für nummerische Lösungen gezeigt.
11.1
Allgemeines
Bei den bisher behandelten Problemen wurden viele Vereinfachungen wie z. B. konstante Stoffwerte, konstanter Druck im Strömungsquerschnitt, konstante Temperatur und ein- oder zwei dimensionale Strömung angenommen. Anhand dieser Annahmen konnten viele Strömungsprobleme mit guter, für die Praxis ausreichender Genauigkeit behandelt werden. Andere Vorgänge dagegen waren mit den bisher aufgeführten Grundlagen nicht mehr genau genug berechenbar. Als noch keine Computer und keine entsprechenden Programme vorhanden waren, mussten in solchen Fällen mit Modellen oder dem Original Versuche durchgeführt werden. Probleme, die nicht mit analytischen Methoden behandelt werden konnten, waren: Entwicklung von Strömungsmaschinen (Pumpen, Verdichter, Turbinen, Verbrennungsmotoren usw.), Strömungen in Kanälen komplexer Geometrie (Reaktoren, Großwärmeübertrager), Luftwiderstände von Fahr- und Flugzeugen. Nummerische Berechnungen können relativ einfache Verfahren sein: Abschnittweise Ausrechnung des Druckverlustes in einem Rohr bei veränderlichen Stoffwerten mit konstanten Werten für jeden Abschnitt oder die schrittweise nummerische Ermittlung und Addition der Werte einer analytisch nicht integrierbaren Funktion. Zur genauen Berechnung benötigt man Programme, die die Strömung in finite Volumenelemente aufteilt und dort die entsprechenden Zustandsgrößen ermittelt. In den 60er Jahren wurden erste Programme für die Berechnung von Strömungsproblemen entwickelt, die das Strömungsfeld in kleine Volumenelemente zerteilten und dort Geschwindigkeit, Druck und Dichte ermittelten. Diese Programme waren nur zur Berechnung einfachster Probleme geeignet und gaben die Wirklichkeit lediglich ansatzweise wieder. Erst Ende der 80er Jahre kamen Programme auf dem Markt, die die Strömungsvorgänge qualitativ und quantitativ richtig beschrieben. Heute werden solche Programme in der Industrie zur Entwicklung von Maschinen und Anlagen und zur Berechnung von Strömungsvorgängen verwendet. Im Vergleich zu Modellversuchen sind sie wesentlich kostengünstiger und schneller. Früher z. B. benötigte man für die Entwicklung einer neuen Turbinenbeschaufelung mit Berechnungen und Modellversuchen, die zur Eichung der Berechnungs-
266
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
methoden dienten, vier bis fünf Jahre. Mit den neuen Programmen kann die Entwicklung in weniger als einem Jahr erfolgen.
11.2
Grundlagen der Strömungsprogramme
Strömungsprogramme bestehen aus einem Gittergenerator und Lösungsprogramm. Die geometrischen Daten des Strömungsproblems werden in den Gittergenerator eingegeben. Die Geometrie besteht aus Flächen, die das zu untersuchende Strömungsvolumen umschließen. Dies erfolgt entweder direkt oder aus den Daten eines CAD-Programms. Im Gittergenerator wird ein dem Problem entsprechendes Gitter, das aus kleinen Volumenelementen besteht, erzeugt, was automatisch oder vom Benutzer durchgeführt werden kann. Moderne Programme können außerdem noch andere Effekte wie Wärmetransfer, Phasenübergang, Verbrennung, chemische Reaktionen usw. berücksichtigen. Mit diesen Vorgaben berechnet das Programm die Strömungsgeschwindigkeit, den Druck und die Dichte in den einzelnen finiten Volumina. Bei der Berechnung werden die Differentialgleichungen für Massen-, Energie- und Impulserhaltung und die Navier-Stokes-Gleichungen nummerisch gelöst, ferner die Gesetzmäßigkeiten für Wärme- und Massentransfer berücksichtigt. Das größte Problem ist dabei die Simulation der Turbulenz, wofür man verschiedene Turbulenzmodelle entwickelte. Wegen der Komplexität der Programme kann hier nicht detailliert auf sie eingegangen werden. Folgende Kapitel zeigen einige Verfahren zur Berechnung einfacherer Strömungsprobleme.
11.3
Endliche Differenzen-Methode
Bei der Behandlung fluidmechanischer Probleme werden Differentialgleichungen mit den notwendigen Randbedingungen aufgestellt [11.1]. Die analytische Lösung dieser Gleichungen ist nur für einige sehr einfache Fälle möglich. Zur nummerischen Lösung werden die Differentiale als finite (endliche) Differenzen angegeben. Diese Methode heißt finite Differenzen-Methode. 11.3.1
Gewöhnliche Differentialgleichungen erster Ordnung
Differentiale können näherungsweise durch Taylor-Reihen angegeben werden. Die Änderung der Funktion y(x) mit x erfolgt, wie sie Bild 11.1 zeigt. Der Wert der Funktion an Stelle x0 + ∆x ist durch eine unendliche Taylor-Reihe folgendermaßen gegeben:
267
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden y
y(x) y ( x 0+ ' x )
y(x0 ) y ( x 0 - ' x)
'x
'x x0
x0 - ' x
x 0+ ' x
x
Bild 11.1: Funktion y(x)
y ( x0 'x)
y ( x0 ) y c( x0 ) 'x y cc( x0 )
'x 2 2!
y ccc( x0 )
'x 3 3!
...
(11.1)
Je mehr Terme verwendet werden, desto genauer wird der Wert von y(x0 + ∆x). Es ist wichtig, zu bestimmen, wie groß der Fehler ist, wenn die Reihe nach einem endlichen Glied abgebrochen wird. Beim Abbruch nach dem n-ten Glied ist der Fehler in y(x0 + ∆x) kleiner als: y n 1 ( x0 )
'x n 1 (n 1)!
Die Lösung der Differentialgleichung wird meist nicht an einem Punkt, sondern schrittweise entlang der Funktion angegeben. Die Größen erhalten Laufindizes zur Identifikation (Bild 11.2). y
y(x) y ( xi
+1
)
y ( x i) y ( x i - 1)
'x xi - 1
'x xi
xi
+1
x
Bild 11.2: Funktion yi(xi)
Bricht man die Taylor-Reihe nach dem ersten Glied ab, erhält man: yi 1
y ( xi ) y c( xi ) 'x
(11.2)
268
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
Für die Ableitung y' gilt damit:
yc
yi 1 yi
'x
(11.3)
Dieser Darstellung der ersten Ableitung wird die Genauigkeit erster Ordnung zugewiesen, d. h., die Funktion wird zwischen den Werten xi und xi + 1 als eine Gerade angesehen. Die gleiche Betrachtung führt man zwischen den Werten xi - 1 und xi durch.
yc
yi yi 1
'x
(11.4)
Gleichung (11.3) wird als Vorwärts- und Gl. (11.4) als Rückwärtsdifferenz bezeichnet. Eine Differentialgleichung erster Ordnung mit den Variablen y und x kann folgendermaßen angegeben werden: dy dx
f ( x, y )
(11.5)
Die Startbedingung für die Differentialgleichung ist: y = y0 bei x = x0. Mit den Vorwärtsdifferenzen erhalten wir: yi 1
y i 'x f ( x i , y i )
(11.6)
Dies ist die explizite Formulierung der finiten Differenzen-Gleichung, mit der der Wert von yi +1 mit den Werten von xi, yi und f(xi,yi) berechnet werden kann. Sie wird auch Euler-Methode genannt. Man beginnt mit den Anfangswerten und bestimmt Schritt für Schritt den Wert von y mit Gl. (11.6), bis der gewünschte Wert von x erreicht ist. Das Ergebnis mit den Rückwärtsdifferenzen ist ähnlich: y i 1
y i ' x f ( xi , y i )
(11.7)
Dies ist die implizite Formulierung. Beide Formulierungen liefern die gleichen Ergebnisse und gleiche Genauigkeit. Bei Anwendung der finiten Differenzen-Methode ist darauf zu achten, dass die Schrittweiten ∆x die Genauigkeit beeinflussen und daher entsprechend zu wählen sind.
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
269
BEISPIEL 11.1: Sinkgeschwindigkeit einer Kugel im Öl Eine Stahlkugel mit dem Durchmesser von 5 mm wird zur Zeit t = 0 in einem Ölbad losgelassen. Die Widerstandszahl der Kugel ist konstant 1,5. Die Dichte des Öls beträgt 800 kg/m3, die der Kugel 8'000 kg/m3. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit der Kugel, bis deren konstante Sinkgeschwindigkeit erreicht ist. Lösung Annahme •
Die Widerstandszahl ist konstant.
Analyse Die Änderung des Impulses der Kugel ist gleich Schwerkraft minus Auftriebskraft minus Widerstandskraft. Die Differentialgleichung für die Geschwindigkeit c lautet:
mK
dc dt
(mK mF ) g c w A
UF c2 2
Dabei sind mK die Masse der Kugel, mF die Masse des von der Kugel verdrängten Öls, cW die Widerstandszahl und A die Stirnfläche der Kugel. Für die Masse der Kugel mK und für die Stirnfläche A gelten: mK
U K V
UK
S 6
d3
A
S 4
d2
In die Gleichung eingesetzt und umgeformt erhalten wir: dc dt
3 cw U F c 2 UK UF g UK 4 UK d
Vereinfacht lautet die Differentialgleichung: dc dt
C1 C 2 c 2
Für die Geschwindigkeit ci + 1 erhalten wir mit Gl. (11.6): ci 1
ci 't (C1 C 2 ci2 )
Die Zahlenwerte der Konstanten C1 und C2 sind: C1 = 8,829 m/s2, C2 = 22,5 m-1. Mit ∆t = 0,02 s erhält man folgende Werte:
270
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
t s
ci m/s
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30
0,0000 0,1766 0,3391 0,4640 0,5437 0,5872 0,6086 0,6185 0,6229 0,6249 0,6258 0,6261 0,6263 0,6264 0,6264 0,6264
0,7 0,6
Geschwindigkeit c in m/s
i
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0
0,1
0,2
0,3
Zeit t in s
Die Zahlenwerte sind im Diagramm aufgetragen. Diskussion Eine einfache Methode zur nummerischen Lösung von Differentialgleichungen ist die Berechnung mit finiten Differenzen. Die Genauigkeit hängt von der Art der Funktion und den Intervallen ab. Wählt man für dieses Problem zum Beispiel Intervalle von einer Sekunde, bekommt man keine Lösung. Aus den Zahlenwerten und dem Diagramm ist ersichtlich, dass bereits nach 0,26 s die konstante Sinkgeschwindigkeit von 0,6264 m/s erreicht wird. Theoretisch benötigt man für das Erreichen der Sinkgeschwindigkeit eine unendlich lange Zeit. 11.3.2
Differentialgleichungen zweiter Ordnung
Die Taylor-Reihe kann nach dem dritten Glied abgebrochen werden. Für die zweite Ableitung erhält man:
yicc
y i 1 yi 1 2 y i
'x 2
(11.8)
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
271
Differentialgleichungen vom Typ
d2y dx 2
f ( x, y )
können mit Gl. (11.8) in folgender Form angegeben werden:
y i 1 yi 1 2 y i
'x 2
f ( xi , yi )
Damit ist yi + 1: yi 1
2 yi yi 1 f ( xi , yi ) 'x 2
(11.9)
Für eine Anfangsbedingung mit y = y0 bei x = x0 muss yi - 1 = y0 gesetzt werden. In einigen Fällen ist es wegen der Rechengenauigkeit und des Rechenaufwands sinnvoll, die Intervalle ∆x nicht konstant zu wählen (Bild 11.3). y
y(x) y ( x i + 1) y(xi)
y ( x i - 1)
'x xi- 1
a.' x xi xi+1
x
Bild 11.3: Gitter mit nicht konstanten Intervallen
Aus der Taylor-Reihe erhält man für yi + 1: yi 1
(a 1) yi a yi 1 f ( xi , yi ) 'x 2
Wenn a = 1 ist, geht Gl. (11.10) in Gl. (11.9) über.
a (a 1) 2
(11.10)
272
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
BEISPIEL 11.2: Laminare Strömung mit variabler Viskosität in einem ebenen Spalt Die Schmierung eines Gleitlagers mit einem 100 mm langen Spalt und einer Breite von 0,5 mm erfolgt mit Öl. Die Strömung wird hier wie jene in einem ebenen Spalt behandelt. Die eine Wand ist auf 40 °C gekühlt, die andere hat eine Temperatur von 100 °C. Der Temperaturverlauf im Spalt ist linear. Der Druckverlust beträgt 1 bar. Die dynamische Viskosität des Öls ist temperaturabhängig:
K
4,2 10 3 exp[0,03 (100 qC - )] . Berechnen Sie die Geschwindigkeitsverteilung im Spalt.
Lösung
y
Schema
Siehe Skizze
100 °C
7 6 5 4 3 2 1 0
'y
h
40 °C
Annahmen • • • •
l
Die Temperaturverteilung ist linear. Die Druckverteilung ist in der y-Ebene konstant. Die Stoffwerte in einem ∆y-Intervall sind konstant. Die Strömung ist laminar.
Analyse Für den ebenen Spalt wurde die Lösung der Differentialgleichung in Kapitel 6, Gl. (6.44) hergeleitet als: d 2c dy 2
'pv K l
Da die Viskosität nicht konstant ist, kann die Gleichung auch nicht einfach integriert werden. Für die Verteilung der Viskosität erhalten wir:
-i Ki
40 qC
100 qC 40 qC yi h
4,2 10 3 exp[0,03 (100 qC -i )]
y º ª 4,2 10 3 exp «1,8 (1 i ) » h ¼ ¬
In den einzelnen Intervallen ist die Geschwindigkeit:
273
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
ci 1
2 ci ci 1
'pv 'x 2 Ki l
2 ci ci 1 ai
Da ∆y und ∆pv konstant sind, hängt ai nur von der Viskosität bzw. von yi ab. Die Geschwindigkeiten an der Wand c0 und c7 haben den Wert null. Für die anderen sechs Geschwindigkeiten c1 bis c6 erhalten wir folgende sechs Gleichungen: 0
c0
c7
c2
2 c1 c0 a1
2 c1 a1
c3
2 c2 c1 a2
c2
c4
2 c3 c 2 a 3
c3
c5
2 c 4 c3 a 4
c4
c6
2 c5 c 4 a 5
c5
c7
2 c 6 c5 a 6
0
c6
c2 a1 2 2 2 c3 a1 2 a2 c a 3 2 2 2 3 3 3 c4 a3 3 c4 a1 a2 3 a3 2 2 4 4 2 4 c5 a4 4 c5 a1 2 a2 3 a3 4 a4 2 2 5 5 5 5 5 c6 a5 5 c6 a1 a 2 a3 2 a4 5 a5 2 2 6 6 3 2 3 6 a a1 2 a2 3 a3 4 a 4 5 a5 6 a6 6 2 7 7 7 7 7 7 c1
c1 2 c2 2 c3 2 c4 2 c5 2
Die Größe ai berechnet sich mit: ai
'pv 'y 2 l 4,2 10 3 exp>1,8 1 yi / h @ kg/(m s)
10 5 N/m 2 (0,0005 m) 2 0,1 m 4,2 10 3 exp>1,8 1 yi / h @ kg/(m s)
1,2148 m/s exp>1,8 1 yi / h @
Berechnete Werte von ai und ci, tabelliert und grafisch:
0 1 2 3 4 5 6 7
ai m/s 0,2008 0,2597 0,3358 0,4343 0,5617 0,7264 0,9394 1,2148
ci m/s 0,000 1,293 2,326 3,024 3,287 2,989 1,964 0,000
0,5
1 veränderliche Viskosität
0,4 Wandabstand y in mm
i
2
0,3
berechnete Punkte
0,2
3 4
5 0,1 0
6
0
1
konstante Viskosität bei 100 °C 2 3 Geschwindigkeit c in m/s
4
274
11 Einführung in nummerische Lösungsmethoden
Diskussion Die Berechnung mittels Differenzenverfahren bietet hier eine einfache Lösung an. Zur Ermittlung der Geschwindigkeiten für n-Intervalle kann die folgende Gleichung angegeben werden: ci
i ci 1 i 1
i
jaj
¦ i 1
cn
0
j 1
Mit dieser Formel ist die Erstellung eines einfachen Programms zur Berechnung der Geschwindigkeit möglich.
12
Strömungsmesstechnik
12.1
Einleitung
Für wissenschaftliche Untersuchungen von Strömungen oder zur Regelung und Kontrolle strömungstechnischer Prozesse werden Messungen benötigt. Bei der Beurteilung einer Strömung sind Druck-, Geschwindigkeits- und Dichteverteilung in der zu untersuchenden Strömung maßgebend. Druck und Geschwindigkeit können direkt gemessen werden. Zur Bestimmung der Dichte werden üblicherweise Temperatur und Druck gemessen, die Dichte dann aus der Zustandsgleichung des Fluids ermittelt. Bei der Strömung in Leitungen benötigt man oft nur die mittlere Geschwindigkeit des Fluids, die aus der Messung des Massen- oder Volumenstroms berechnet werden kann. Zur Herleitung der Gesetzmäßigkeiten wird auch noch die Viskosität des Fluids gebraucht. Diese kann aber nicht direkt in der Strömung gemessen, sondern wie die Dichte des Fluids aus der Druck- und Temperaturmessung berechnet werden. Ferner wird der Strömungsmesstechnik auch die Messung des Füllstandes (Flüssigkeitsniveau) zugeordnet. Hier werden die Druck-, Temperatur-, Geschwindigkeits-, Volumenstrom-, Massenstrom- und Füllstandshöhenmessungen behandelt.
12.2
Druckmessung
12.2.1
Druckmesssystem
In der Strömungsmesstechnik werden Drücke in bewegten und ruhenden Fluiden direkt im Fluid oder an den Wänden durchströmter Leitungen bzw. umströmter Körper gemessen. Ein Druckmesssystem besteht aus einem Druckmessgerät (pressure transmitter, pressure gauge), einer Druckmessleitung (pressure line) und einer Druckmessbohrung (pressure tap) (Bild 12.1). Der zu messende Druck wird durch die Druckmessbohrung über die Druckmessleitung zum Druckmessgerät geleitet. Durch die Druckmessbohrung und Druckmessleitung können zusätzlich zum Messfehler des Druckmessgeräts noch weitere Fehler durch das Messsystem entstehen. Diese Messfehler werden durch Anordnung der Druckmessbohrung, Ansprechzeit des Systems, Anordnung des Druckmessgeräts und Druckmessleitung verursacht.
276
12 Strömungsmesstechnik
Druckmessgerät (Manometer)
Druckmessbohrung (entgratet)
Druckmessleitung
Bild 12.1: Druckmesssystem
Ist die Druckmessbohrung nicht senkrecht zur Strömungsrichtung oder nicht entgratet, können zum zu messenden statischen Druck zusätzlich noch dynamische Drücke der Strömung mitgemessen werden. Die Ansprechzeit (response time) des Druckmessgeräts hängt vom Volumen der Druckmessleitung, des Druckmessgeräts und der Größe der Druckmessbohrung ab. Will man sich zeitlich stark verändernde Drücke messen, kann durch eine lange Ansprechzeit die zu messende Druckänderung nicht erfasst werden. Bei statischen Messungen, bei denen sich der Druck über die Zeit nicht oder nur sehr langsam verändert, ist die Ansprechzeit bedeutungslos. Die Anordnung der Druckmessleitung und des Druckmessgeräts kann ebenfalls den Messwert beinflussen, weil eine Flüssigkeitssäule in der Messleitung einen zusätzlichen hydrostatischen Druck erzeugt. Kondensation und Verdampfung in den Messleitungen können zu Strömungen führen, die die Druckmessung durch Reibungsdruckverluste und durch dynamische Drücke verfälschen. Die Auswahl des Druckmesssystems hängt von den Anforderungen der Druckmessung ab. Bei dynamischen Strömungsvorgängen mit sich stark verändernden Drücken muss man ein System mit kurzer Ansprechzeit (kleine Messgeräte- und Messleitungsvolumina) auswählen. Die Druckmessbohrung sollte senkrecht zur Geschwindigkeit der Strömung angeordnet und sorgfältig entgratet sein, damit die Messung nicht durch dynamische Drücke verfälscht wird. Die Ansprechzeit tA ist die Zeit, in der das Druckmessgerät den Genauigkeitsanforderungen entsprechenden Wert des Druckes, der an der Messstelle anliegt, erreicht. Bei genauen Messungen ist dieser Wert 99,9 %. Die Ansprechzeit hängt von der Trägheit des Messgeräts, der Größe der Druckbohrung und vom Volumen der Messleitung ab. Ist die Druckmessbohrung zu klein, kann die Volumenänderung der Messleitung und des Messgeräts nicht schnell genug erreicht werden. Bei zu grossen Druckbohrungen und zu grosser Messleitungsvolumina verzögert die Trägheit der Fluidsäule die Messung. Zu große Druckmessbohrungen können außerdem Störungen der Strömung und Beeinflussung der Messung durch dynamische Drücke verfälschen.
12 Strömungsmesstechnik
277
' perforderlich
Drucksignal
Messsignal
tA Zeit
Bild 12.2: Ansprechzeit eines Druckmesssystems
Bei der Wahl des Messsystems ist stets darauf zu achten, dass das für die Messung erforderliche Messgerät, die Messleitung und Druckmessbohrung adäquat sind. 12.2.2
Prinzip der Druckmessung
Die Druckmessung beruht auf der Messung der Kraft, die der Druck auf eine Fläche ausübt. Dabei wird die vom Druck ausgeübte Kraft mit einer gleich großen Gewichts- oder Federkraft verglichen. Die Gewichtskräfte können die einer Flüssigkeitssäule oder die eines festen Körpers, die Federkräfte die eines elastischen Körpers sein. Im Gleichgewichtsfall sind Druckkraft und Gewichts- oder Federkraft gleich groß. Aus der Messung der Gewichts- bzw. Federkraft bestimmt man den Druck. Die Gewichtskraft kann aus der Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule oder aus der direkten Messung des Gewichts ermittelt werden. Die Federkraft wird aus der Wegänderung bestimmt. Bei Flüssigkeitssäulen ist die Höhe meist direkt ablesbar, sie kann aber zur genaueren Ablesung durch zusätzliche Hilfsmittel wie z. B. Nonius oder Optik verbessert werden. Außerdem ist die Umwandlung der Flüssigkeitssäule in ein elektrisches Signal möglich. Bei Federn ist die Wegänderung sehr klein. Daher ist eine direkte Ablesung oft unmöglich. Das Wegsignal kann durch mechanische oder elektrische Einrichtungen verstärkt und so angezeigt werden. 12.2.3
Druckmessgeräte
12.2.3.1 Flüssigkeitsmanometer In Flüssigkeitsmanometern wird der Druck, der auf eine Flüssigkeitssäule wirkt, mit dem statischen Druck der Säule verglichen. Im Gleichgewichtsfall sind beide Drücke gleich groß. Durch die Bestimmung der Höhe z der Flüssigkeitssäule kann der Druck direkt als Höhe der Säule angegeben werden. Daraus ist dann die Umrech-
278
12 Strömungsmesstechnik
nung in andere Einheiten möglich. Die Manometerflüssigkeit wird Sperrflüssigkeit genannt. Je nach Größe des Messbereichs, der Eigenschaft des Fluids, in dem der Druck gemessen wird und der erforderlichen Genauigkeit wählt man Sperrflüssigkeiten verschiedener Dichte, wie z. B. Wasser, Quecksilber, Alkohol, Öl, Tetrachlorkohlenstoff oder Tetrabromäthan. Der Aufbau des Flüssigkeitsmanometers ist je nach erforderlicher Genauigkeit und Messbereich stark unterschiedlich. Das einfachste Flüssigkeitsmanometer ist das beidseitig offene U-Rohr-Manometer (differential manometer). Es besteht aus einem U-Rohr, das zum Teil mit Sperrflüssigkeit gefüllt ist (siehe Kapitel 2). An der einen Öffnung des U-Rohrs wird das Fluid, dessen Druck p zu bestimmen ist, angeschlossen. An der anderen Öffnung wirkt ein zweites Fluid mit dem Referenzdruck p0. Das U-Rohr kann mit einer Skala versehen oder die Höhendifferenz z der Sperrflüssigkeit mit einem Maßstab abgelesen werden. Der zu messende Druck p ist: p
p0 U s g z U 0 g z 0 U g z1
(12.1)
Dabei ist ρ die Dichte des zu messenden Fluids, ρs die der Sperrflüssigkeit und ρ0 die des Referenzfluids. Der atmosphärische Druck wird oft als Referenzdruck verwendet und damit ist die Luft das Referenzfluid. In der Regel kann die Dichte der Luft gegenüber jener der Sperrflüssigkeit vernachlässigt werden. Damit wird der zu messende Druck: p
p0 U s g z U g z1
(12.2)
Ist das zu messende Fluid ein Gas geringer Dichte, kann sie ebenfalls vernachlässigt werden und der Druck ist: p
p0 U s g z
(12.3)
Wie die Gleichungen zeigen, wächst der Messbereich bei gegebener Höhe des URohrs mit zunehmender Sperrflüssigkeitsdichte. Zur Bestimmung des Druckes muss der Referenzdruck bekannt sein oder gemessen werden. Mit einem einseitig geschlossenen Flüssigkeitsmanometer (Bild 12.3) kann der Absolutdruck direkt bestimmt werden. Bei diesem Manometer ist eine Seite des URohrs geschlossen und wird mit der Sperrflüssigkeit gefüllt. Ist der zu messende Druck kleiner als der statische Druck der Flüssigkeitssäule, sinkt deren Höhe und im geschlossenen Schenkel ist der Druck gleich dem des Sättigungsdruckes der Flüssigkeit. Beim einseitig geschlossenen U-Rohrmanometer werden vorzugsweise Sperrflüssigkeiten verwendet, deren Dampfdruck sehr klein ist. Ist er vernachlässigbar klein, kann der absolute Druck p direkt bestimmt werden.
12 Strömungsmesstechnik
p
0
279
= Vakuum
Skala
p
z
z1
Sperrflüssigkeit
Bild 12.3: Einseitig geschlossenes Flüssigkeitsmanometer
p
U s g z U g z1
(12.4)
Die Höhe der Flüssigkeitssäule kann ohne zusätzliche Messeinrichtungen auf 1 mm genau abgelesen werden. Das Anbringen einer Skala mit einem Nonius und einer Lupe verbessert die Genauigkeit auf 0,1 mm. Weist der zu messende Druck zeitliche Schwankungen auf, ist das Ablesen der Höhe sehr schwierig, weil die Höhendifferenz der Sperrflüssigkeitsmenisken gemessen wird. Das Auftreten dieses Problems kann auf zwei Arten vermieden werden: •
Erstens durch die Verwendung von Präzisionsrohren, deren Querschnitt auf beiden Seiten konstant ist. Damit ist die Änderung der Höhen in beiden Säulen gleich groß. Der Punkt, bei dem der zu messende Druck gleich dem Referenzdruck ist, wird als Nullpunkt definiert. Liest man die Höhe der einen Säule vom Nullpunkt ab, ist die Höhe z gleich dem doppelten Wert des abgelesenen Wertes.
•
Zweitens kann man ein Gefäßmanometer verwenden. Bei ihm ist der eine Schenkel des U-Rohrs als ein Gefäß ausgebildet, dessen Querschnitt A1 sehr viel größer als der des Rohrs A2 ist, in dem die Höhe der Flüssigkeitssäule abgelesen wird (Bild 12.4).
Unter der Annahme, dass die Dichte des zu messenden Fluids und Referenzfluids gegenüber der Sperrflüssigkeit vernachlässigbar sind, ist der Druck:
280
12 Strömungsmesstechnik
p
p0 U s g ( z z1 )
§ A · p0 U s g z ¨¨1 2 ¸¸ A1 ¹ ©
(12.5)
Der Nullpunkt für diese Berechnungen ist der Punkt, bei dem der zu messende Druck gleich dem Referenzdruck ist. Er ist direkt proportional zur abgelesenen Höhe der Flüssigkeitssäule. Durch rechnerische Berücksichtigung der Säulenquerschnitte oder entsprechend verzerrte Skalierung kann der Druck bestimmt werden. Der Ausdruck (1 + A2 /A1) wird als Gerätekonstante bezeichnet. Für eine genaue Messung müssen die Querschnitte konstant sein. p0 A2
z
p A1
z1 0
Bild 12.4: Gefäßmanometer
Zur Bestimmung des Luftdruckes verwendet man ein Quecksilberbarometer, das ein spezielles Gefäßmanometer ist. Die handelsüblichen Geräte haben die mit einem Nonius auf 0,05 mm genau ablesbare Skala. Zur Berücksichtigung des Temperatureinflusses und zur Ermittlung der Erdbeschleunigung als eine Funktion der geographischen Lage und Höhe werden Formeln mitgeliefert. Vom Prinzip des Gefäßmanometers ausgehend wurden einige Präzisionsmanometer entwickelt, von denen hier das Steilrohrmanometer nach Prandtl (Bild 12.5) und das Projektionsmanometer von Betz (Bild 12.6) vorgestellt werden. Im Prandtl'schen Manometer verwendet man Alkohol oder Toluol als Sperrflüssigkeit. Zur Ablesung der Flüssigkeitssäulenhöhe wird in einer Messlupe d. h. in einem mittels Zahnradantrieb verstellbaren Okular, das eigentliche Bild des Meniskus mit dem in einem Hohlspiegel erzeugten Spiegelbild des Meniskus in Berührung gebracht. Die Genauigkeit des Prandtl'schen Manometers ist 0,5 Pa, der Messbereich beträgt 4'500 Pa. Beim Betz-Manometer besteht die Sperrflüssigkeit aus destilliertem Wasser. Die Höhe der Flüssigkeitssäule wird mit einem Schwimmer erfasst, an dem ein Glasstab mit einer eingeätzten Skala hängt. Diese kann mit der Projektionslampe und dem
12 Strömungsmesstechnik
281
Linsensystem abgelesen werden. Die Genauigkeit ist 0,1 % des Skalenwerts, der Messbereich liegt bei 8'000 Pa.
Bild 12.5: Steilrohrmanometer nach Prandtl
Bild 12.6: Betz-Projektionsmanometer
Die Messgenauigkeit eines Flüssigkeitsmanometers erhöht sich durch schräges Aufstellen des Messrohrs. Die Ablesegenauigkeit vergrößert sich der Schräge entsprechend. Flüssigkeitsmanometer haben den großen Vorteil, dass sie nicht geeicht werden müssen. Die Dichte der Sperrflüssigkeit kann in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck aus den entsprechenden Tabellen entnommen und die genaue Erdbeschleunigung für den Ort der Messung ermittelt werden. Unter Berücksichtigung dieser beiden Größen erzielt man mit dem Flüssigkeitsmanometer sehr hohe Messgenauigkeit. Ist sie nicht gefordert, können Dichte und Erdbeschleunigung als konstante Größen eingegeben werden. Nachteile des Flüssigkeitsmanometers sind relativ kleine Messbereiche, große Abmessungen, hoher Preis der Präzisionsmanometer, Unverträglichkeit der Sperrflüssigkeit mit dem zu messenden Fluid (kann nur mit nicht mischbaren und chemisch nicht reagierenden Fluiden verwendet werden) und Trägheit. In Laboratorien verwendet man Flüssigkeitsmanometer zur genauen Messung kleiner Drücke, zur Messung von Differenzdrücken und zur Kalibrierung anderer Druckmessgeräte. 12.2.3.2 Gewichtsmanometer Das Gewichtsmanometer (Bild 12.7) besteht aus einem Druckbehälter mit einem Druckanschluss und einem Kolben. Die auf den Kolben wirkende Kraft wird durch
282
12 Strömungsmesstechnik
geeichte Gewichte im Gleichgewicht gehalten. Das Druckgefäß ist mit Öl gefüllt und der Druck wird mit einer weichen Membrane übertragen. Der Kolben ist mit ORingen abgedichtet. Um durch Haftreibung entstehende Fehler zu vermeiden, wird der Kolben in eine Drehbewegung versetzt. Bei der Messung werden auf den Kolben Gewichte gelegt, bis ein Gleichgewichtszustand herrscht. Gewicht Kolben (rotiert) pU Öl Membrane p
Bild 12.7: Gewichtsmanometer
Da auf den Kolben von außen Umgebungsdruck wirkt, wird mit dem Gewichtsmanometer der Überdruck, bezogen auf den Umgebungsdruck, gemessen. p
pU
G G Kolben AKolben
(12.6)
Das Gewichtsmanometer zeichnet sich zwar durch hohe Messgenauigkeit aus, ist aber nur für die Messung stationärer Drücke geeignet. Daher wird es lediglich für Präzisionsmessungen oder zur Kalibrierung anderer Druckmessgeräte verwendet. 12.2.3.3 Federmanometer Das Messprinzip des Federmanometers beruht auf der Wegänderung einer elastischen Feder infolge der vom Druck ausgeübten Kraft. Die Wegänderung kann mechanisch oder elektrisch erfasst und angezeigt werden. Wegen des großen Messbereichs von 0,6 mbar bis zu 10'000 bar und der robusten Bauweise haben diese Manometer in industrieller Messtechnik sehr große Verbreitung. Das Federmanometer mit mechanischer Messwertumformung wurde nach §1061 der Eichordnung (BRD) vom 1.6.1967 in folgende Gattungen eingeteilt: a) b) c) d) e)
Rohrfeder (Hauptgattung 310) Schnecken- oder Schraubenfeder (Hauptgattung 320) Plattenfeder (Hauptgattung 330) Kapselfeder (Hauptgattung 340) Wellrohrfeder (Hauptgattung 350)
283
12 Strömungsmesstechnik
Federmanometer werden nach ihrer Genauigkeit in sechs Klassen eingeteilt: a) Klasse 0,3 b) Klasse 0,6 c) Klasse 1,0
d) Klasse 1,6 e) Klasse 2,5 f) Klasse 4,0
Die Klassenbezeichnung gibt die Genauigkeit des Manometers in Prozenten, bezogen auf den Skalenendwert, an. Federmanometer eignen sich je nach ihrer Bauweise zur Messung von Über- und Unterdrücken. Bei Federmanometern besteht die Feder aus Metall. Somit geht die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls in die Messung mit ein. Federmanometer werden bei 20 °C geeicht und eingestellt. Bei Betriebstemperaturen, die über- oder unterhalb dieser Temperatur liegen, können je nach Genauigkeitsklasse und Bauart große Messfehler auftreten. In Bild 12.8 sind einige Federmanometer dargestellt.
a)
b)
c)
d)
Bild 12.8: Federmanometer (nach Fa. Alexander Wiegand, Klingenberg, BRD) a) Rohrfedermanometer, Messbereich: –1 bis 10'000 bar Überdruck Genauigkeit 0,1 bis 4 % v. E. b) Plattenfedermanometer, Messbereich: –1 bis 25 bar Überdruck Genauigkeit 1,6 % v. E. c) Kapselfedermanometer, Messbereich: –600 bis 600 mbar Überdruck (Aneroidbarometer) Genauigkeit 1,6 % v. E. d) Wellrohrfedermanometer, Messbereich: –100 bis 100 mbar Überdruck Genauigkeit 0,1 % v. E.
Federmanometer mit mechanischer Anzeige dienen in der Regel zur lokalen Anzeige des Druckes. Zur Fernübertragung des Drucksignals gibt es einige mechanische Federmanometer mit elektrischem Wandler. Diese Geräte haben aber heute keine Bedeutung mehr. Sie wurden weitgehend von elektrischen Druckmessgeräten, die wesentlich genauer und robuster sind, verdrängt. Elektrische Druckmessgeräte (electric pressure transmitter) sind im Prinzip ebenfalls Federmanometer. Durch die elektrische Erfassung ist es möglich, sehr kleine Wegänderungen zu messen und somit recht robuste und betriebssichere Manometer zu bauen. Elektrische Manometer eignen sich zur Messung des Über-, Unter-, Ab-
284
12 Strömungsmesstechnik
solut- und Differenzdruckes. Es gibt eine so große Zahl elektrischer Druckmessgeräte, dass ihre Beschreibung den Umfang dieses Buches sprengen würde. Im Prinzip haben elektrische Manometer eine federelastische Membrane, deren Beschaffenheit vom gewünschten Messbereich und der Anwendung abhängt. Sie ist in ein Gehäuse eingebaut. Auf der einen Seite der Membrane wirkt der zu messende Druck, auf der anderen der Referenzdruck. Er ist bei der Messung des Unter- oder Überdruckes der Umgebungsdruck, bei der Messung des Absolutdruckes ein Vakuum und bei der Messung des Differenzdruckes der zweite Druck. Die Verformung der Membrane wird in elektrische Signale umgewandelt. Die Mitte der Membrane legt bei einer Druckeinwirkung, zumindest in einem kleinen Bereich, einen zum Druck proportionalen Weg zurück. Die Wegänderung kann kapazitiv, induktiv oder mit Dehnmessstreifen erfasst werden. In Bild 12.9 ist die Funktion eines elektrischen Manometers mit induktiver Wegmessung dargestellt. Die Membrane besteht aus einem ferritischen Stahl. Durch Druckeinwirkung verursachte Lageänderung der Membrane verändert sich die Induktivität beider Spulen. In einem speziell für diese Anwendung angepassten Verstärker wird die Induktivitätsänderung in ein dem Druck proportionales Ausgangssignal umgewandelt. Gehäuse
Eisenkern
ferritische Membrane
p p
0
Spulen
Bild 12.9: Drucktransmitter mit induktiver Wegmessung
Piezoelektrische Druckmessgeräte (piezo transmitter) sind ebenfalls elektrische Drucktransmitter. Diese Messgeräte nutzen die Eigenschaft piezoelektrischer Kristalle aus. Bei Krafteinwirkung baut sich elektrische Ladung auf, die teilweise durch die Messung abgeführt wird. Daher benötigt man spezielle Ladungsverstärker. Piezoelektrische Druckmessgeräte eignen sich zwar nicht sehr gut für die Messung stationärer Drücke, sind aber für rasche Druckänderungen ausgezeichnet. Sie können extrem kleine Abmessungen haben. So werden sie z. B. in Zündkerzen von Verbrennungsmotoren eingebaut, um dort im Zylinder die sehr schnellen Druckänderungen zu messen. 12.2.4
Anordnung der Druckmesssysteme
Wie schon erwähnt, kann der hydrostatische Druck der Fluidsäule in der Messleitung oder im Messgerät selbst die Messung verfälschen. Dies ist dann der Fall, wenn sich das Messgerät auf einer anderen geodätischen Höhe als die Druckmessbohrung befindet. Deshalb sollten Druckmessleitungen vorzugsweise waagerecht verlegt und so das Messgerät auf der gleichen geodätischen Höhe angebracht wer-
12 Strömungsmesstechnik
285
den wie die Druckmessbohrung. Bei einer solchen Anordnung wird die Messung durch die Fluidsäule nicht gestört. Ist die Führung der Messleitung in einer waagerechten Ebene nicht möglich, aber vollständig mit einem bekannten Fluid gefüllt, kann der Einfluss der Fluidsäule rechnerisch eliminiert werden, was bei der Messung kleiner Drücke oder Differenzdrücke sehr wichtig ist. Damit die Fluidsäule berücksichtigt werden kann, muss die Messleitung so ausgelegt werden, dass sich nur ein Fluid in der Messleitung befindet, d. h., es dürfen keine Gas- oder Dampfblasen in einer Flüssigkeitssäule oder Flüssigkeitspfropfen in einer Gassäule vorhanden sein. Dieses kann durch entsprechende Anordnung des Messsystems und mit Einrichtungen zur Entfernung störender Gase oder Flüssigkeiten erreicht werden. Solche Einrichtungen werden Entlüftung und Entwässerung genannt, obwohl mit ihnen nicht nur Luft oder Wasser entfernt werden können. Die Anordnung des Messsystems hängt vom Druck und der Temperatur des zu messenden Fluids und vom Druck und der Temperatur der Umgebung ab. Ferner ist zu beachten, dass Druckmessgeräte nicht beliebigen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen. Bei Temperaturen des zu messenden Fluids, die den erlaubten Temperaturbereich des Messgeräts überschreiten, sind Messleitungen so zu planen, dass sie ein unerlaubtes Aufheizen oder Abkühlen des Geräts unterbinden. Messleitungen haben in der Regel etwa Umgebungstemperatur. 12.2.4.1 Unterkühlte Flüssigkeiten und überhitzte Gase Mit unterkühlten Flüssigkeiten und überhitzten Gasen sind Flüssigkeiten und Gase gemeint, welche sowohl gemäß ihres thermodynamischen Zustands unterkühlt oder überhitzt sind, als auch bei vorherrschender Umgebungstemperatur in der Messleitung oder im Messgerät nicht zu sieden oder zu kondensieren anfangen. Wasser z. B. ist bei einem Druck von 20 mbar und einer Temperatur von 5 °C unterkühlt, dampfte aber in einer Messleitung mit 25 °C Temperatur aus. Bei 1 bar Druck und derselben Temperatur tritt in der Messleitung dagegen keine Verdampfung auf. Wasserdampf von 5 bar Druck und 300 °C Temperatur ist zwar überhitzt, kondensierte aber in einer Messleitung mit 25 °C Temperatur. Wasserdampf mit 15 mbar Druck und 50 °C Temperatur kondensiert dagegen nicht in einer Messleitung mit 25 °C Temperatur. Wie bei allen Messungen ist es am günstigsten, das Messgerät mit einer waagerechten Messleitung mit der Druckmessbohrung zu verbinden (Bild 12.10 a). Eine fremde Fluidsäule kann die Ansprechzeit der Messung beeinflussen. Deshalb ist es empfehlenswert, die Messleitung vor der Messung zu entlüften oder zu entwässern. Bei Fluiden, die einen Unterdruck haben oder nicht in die Umgebung abgeblasen werden dürfen, muss die Entlüftungs- bzw. Entwässerungsleitung zu einem Punkt tieferen Druckes zurückgeführt werden. Bei der Messung von Differenzdrücken genügt oft eine Bypassleitung, durch deren Öffnung das störende Gas oder die Flüssigkeit weggespült werden.
286
12 Strömungsmesstechnik
Befindet sich das Messgerät unterhalb der Druckmessbohrung (Bild 12.10 b), ist bei feuchten Gasen eine Entwässerung einzubauen, bei trockenen Gasen kann darauf verzichtet werden. Bei Flüssigkeiten benötigt man keine Entlüftung, wenn der Durchmesser der Messleitung genügend groß und immer ansteigend geführt ist. Andernfalls sollte man eine Entlüftung einbauen und vor jeder Messung betätigen. Ist eine waagerechte Leitungsführung unmöglich, sind je nach Aufstellungsort folgende Anordnungen möglich: Wird das Messgerät oberhalb der Druckmessbohrung angebracht (Bild 12.10 c), sollte die Messleitung vor der Messung entlüftet oder entwässert werden. Bei feuchten Gasen kann sich Feuchte in der Messleitung bilden. Hat die Messleitung einen genügend grossen Durchmesser (>15 mm bei Leitungen, die länger als 1 m sind) und ist die Leitungsführung immer ansteigend, kann sie sich selbst entwässern. Andernfalls ist am Messgerät eine Entwässerung anzubringen. Diese ist vor jeder Messung zu betätigen. Bei Flüssigkeiten können Gase, die in der Flüssigkeit gebunden sind, die Messleitung füllen. Hier ist immer eine Entlüftung einzubauen und vor jeder Messung durchzuführen. Bei selbst entlüftenden oder selbst entwässernden Leitungen müssen diese möglichst kurz sein und einen genügend grossen Durchmesser haben. Sind Entlüftungen oder Entwässerungen eingebaut, wählt man eher kleinere Leitungsdurchmesser, damit sichergestellt wird, dass bei der Entlüftung oder Entwässerung die Gase bzw. Flüssigkeiten durch Strömung weggespült werden. Bild 12.10 zeigt die schematische Anordnung des Druckmesssystems für unterkühlte Flüssigkeiten und überhitzte Gase. Die Druckmessleitungen müssen dabei nicht wie in der Abbildung gerade geführt sein. Entlüftung
Druckmessgerät Kondensationsgefäss
Messleitung
Druckmessbohrung a)
Entwässerung
Druckmessbohrung, Messleitung und Messgerät in einer Ebene waagerecht angeordnet T
Entlüftung für Flüssigkeiten
Entlüftung
Entwässerung bei feuchten Gasen. Enfällt, wenn die Messleitung selbstentwässernd ist.
Entwässerung
d) Entlüftung für Flüssigkeiten. Entfällt, wenn die Messleitung selbstentlüftend ist.
b)
Druckmessbohrung unterhalb des Messgeräts
c)
Entwässerung bei feuchten Gasen
Druckmessbohrung oberhalb des Messgeräts
Bild 12.10: Anordnung des Druckmesssystems
Die Leitungen müssen nicht gerade oder senkrecht nach unten oder oben geführt sein.
12 Strömungsmesstechnik
287
12.2.4.2 Gesättigte Fluide sind Gase oder Flüssigkeiten, die sich im Sättigungszustand befinden oder in der Messleitung kondensieren bzw. ausdampfen können. Bei diesen Fluiden muss sichergestellt werden, dass sich während der Messung in der Messleitung nur Dampf oder Flüssigkeit befindet. Hier gilt wie bei unterkühlten bzw. überhitzten Fluiden, dass sich die Druckmessbohrung, Druckmessleitung und das Messgerät am günstigsten in einer waagerechten Ebene befinden. In diesem Fall werden bei Kondensation Messgerät und Messleitung mit Kondensat gefüllt, im Fall der Verdampfung mit Dampf. Mit entsprechender Entlüftung oder Entwässerung sollten fremde Gase oder Flüssigkeiten vor der Messung entfernt werden. Ist die Temperatur der Messleitung tiefer als die Sättigungstemperatur des zu messenden Fluids, können folgende Leitungsführungen vorgesehen werden: •
Druckmessleitungen von Flüssigkeiten sind immer nach unten zu führen (Bild 12.10 c). Damit ist die Leitung stets mit unterkühlter Flüssigkeit gefüllt, die Gefahr der Ansammlung gelöster Gase besteht nicht. Eine Entlüftung eventuell vorhandener fremder Gase muss nach jeder erneuten Inbetriebnahme erfolgen.
•
Wenn die Sättigungstemperatur des Dampfs für das Messgerät zulässig ist, können die Druckmessleitungen von Dämpfen mit einer immer direkt nach oben geführten Leitung versehen werden. Der Dampf wird in der Leitung stets kondensieren. Durch das Gefälle der Leitung fließt das Kondensat ab. Von Leitungslänge und Leitungsführung abhängig muss der Durchmesser so ausgelegt werden, dass sich keine Kondensatsäule ausbilden kann und die Strömung die Messung unerlaubt beeinflusst. Leitung und Messgerät haben die Sättigungstemperatur des Dampfes.
•
Ist eine Leitungsführung nach oben unmöglich oder die Sättigungstemperatur des Dampfes übersteigt die vom Messgerät erlaubte Temperatur, muss direkt nach der Druckbohrung ein Gefäß oder eine Leitungsschleife angebracht werden, so dass sichergestellt wird, dass sich dort Kondensat befindet (Bild 12.10 d). Die Messleitung ist von hier immer nach unten zu führen. Messleitung und Messgerät sind mit entsprechender Entlüftung zu versehen, damit fremde Gase entfernt werden können.
Ist die Temperatur der Messleitung höher als die Sättigungstemperatur des zu messenden Fluids, können folgende Leitungsführungen vorgesehen werden: •
Flüssigkeitsleitungen sind immer nach oben zu führen (Bild 12.10 b), damit die Leitung und das Messgerät stets mit Dampf gefüllt sind. Bei Dämpfen können die Leitungen beliebig geführt werden, weil sich in der Leitung immer nur Dampf befindet.
288
12 Strömungsmesstechnik
Verändert das Fluid während einer Messung seine Sättigungstemperatur so, dass sie tiefer oder höher werden kann als die Temperatur der Messleitung oder die des Messgeräts, ist es unvermeidlich, dass in der Messleitung Kondensation und Verdampfung stattfinden. In diesem Fall sind die Länge der Messleitungen und das Messvolumen des Messgeräts möglichst klein zu halten, außerdem sollte die Leitung nur waagerecht geführt werden. BEISPIEL 12.1: Messung des Druckes mit einem Schrägrohrmanometer Der Druck im Kamin einer Heizung wird mit einem Schrägrohrmanometer gemessen. Das Manometer hat Wasser als Sperrflüssigkeit, die Neigung des Rohrs beträgt 12°. Auf der Skala liest man die Länge der Flüssigkeitssäule mit 120 mm ab. Der Durchmesser des Messrohrs ist 10 mm und der des Gefäßes 50 mm. Die Dichte des Wassers beträgt 998 kg/m3. Das Quecksilberbarometer zeigt einen Luftdruck von 745,3 mmHg an. Bestimmen Sie den Druck im Kamin. Lösung
Kamin p
Schema
p0
100
Siehe Skizze
0
12°
Annahme •
Die Dichte der Luft und des Rauchgases sind gegenüber der Dichte des Wassers vernachlässigbar.
Analyse Durch den Druck im Kamin wird das Niveau des Wassers im Gefäß verändert, so dass zur Berücksichtigung der Niveauänderung Gl. (12.5) verwendet wird. Da wir hier ein Schrägrohrmanometer haben, muss die Höhe der Flüssigkeitssäule aus der abgelesenen Länge von 120 mm bestimmt werden. Der Überdruck im Kamin ist: p p0
§
U s g l sin 12q ¨¨1
d 22 · ¸ d12 ¸¹
© § 10 2 · kg m 998 3 9,81 0,12 m sin 12q ¨¨1 2 ¸¸ s m © 50 ¹
249,7 Pa
Der Luftdruck p0 wird aus der Höhe der abgelesenen Quecksilbersäule bestimmt. Nach Tabelle 1.2 entspricht 1 mm Quecksilbersäule oder 1 Torr gleich 133,32 Pa. Der Luftdruck berechnet sich damit zu 99'365 Pa. Der Absolutdruck im Kamin beträgt 99'615 Pa oder 0,99615 bar.
289
12 Strömungsmesstechnik
Diskussion Mit einem Schrägrohrmanometer kann die Genauigkeit der Differenzdruckmessung erhöht werden. In unserem Fall entspricht 1 mm abgelesene Länge einer Flüssigkeitssäulenhöhe von 0,2 mm. Der gemessene Überdruck von 250 Pa ist sehr klein, er entspricht einer Wassersäule von 25,5 mm. BEISPIEL 12.2: Messung des Wasserniveaus mit einem Differenzdrucktransmitter Mit einem induktiven Transmitter wird das Wasserniveau im Hotwell eines Kondensators gemessen. Die Anordnung ist im Schema dargestellt. Der Transmitter liefert ein zur Druckdifferenz proportionales elektrisches Signal. Bei null Differenzdruck ist das Ausgangssignal 4 mA und bei 104 Pa 20 mA. Die Dichte des Wassers beträgt 997 kg/m3. Geben Sie die Höhe des Kondensatniveaus als eine Funktion des Stromsignals an. Kondensator
Lösung Schema
Dampf
Siehe Skizze
p0 z1
z
Kondensat
p2 Differenzdrucktransmitter
Annahmen • •
p1
Die Dichte des Dampfs ist gegenüber der Dichte des Kondensats vernachlässigbar. Die Höhendifferenzen im Transmitter sind ebenfalls vernachlässigbar.
Analyse Die Drücke p1 und p2 setzen sich aus dem Druck p0 und dem Druck der Flüssigkeitssäulen zusammen. Sie sind: p1
p0 g U z1
p2
p0 g U z
Der Differenzdruck, der mit dem Transmitter gemessen wird, ist:
'p
p1 p2
g U ( z1 z )
Die Höhe des Kondensatniveaus berechnet sich damit zu: z
z1
'p gU
Für die Funktion des Differenzdruckes ∆p vom Stromsignal i erhält man:
'p
(i 4 mA) 10'000 Pa/16 mA
290
12 Strömungsmesstechnik
Das Kondensatniveau als Funktion des Stromsignals lautet damit: z
z1
(i 4 mA) 10'000 Pa gU 16 mA
z1
(i 4 mA) 1,022 m 16 mA
Diskussion Im hier gezeigten Beispiel wird durch ein Gefäß sichergestellt, dass die Druckmessleitung stets mit Kondensat gefüllt ist. Es ist darauf zu achten, dass der Differenzdrucktransmitter auf der Dampfseite den höheren Druck erhält. Das Messsignal nimmt mit abnehmendem Kondensatniveau zu. Erreicht das Niveau die Höhe z1 = 0,1022 m, ist der Differenzdruck gleich null, das Signal 4 mA. Mit sinkendem Niveau steigt das Signal an und erreicht bei einem Niveau von null den Wert 20 mA.
12.3
Temperaturmessung
In der Strömungslehre ist die Temperaturmessung von eher untergeordneter Bedeutung. Sie wird jedoch benötigt, um den Zustand eines Fluids und damit dessen Stoffwerte bestimmen zu können. Die Temperaturmessung wird direkt im Fluid durchgeführt. Temperaturmessgeräte werden Thermometer genannt. Je nach Messprinzip ist zwischen Berührungs- und Strahlungsthermometern zu unterscheiden. Das Berührungsthermometer wird mit dem Körper, dessen Temperatur gemessen werden soll, in Kontakt gebracht. Dadurch kann das Temperaturfeld des Messmediums beeinflusst werden, da über das Thermometer dem Medium Wärme zu- oder abgeführt wird. Das Thermometer muss außerdem den mechanischen und chemischen Bedingungen des Messfluids entsprechen. Bei Strahlungsthermometern wird die Temperatur des Messmediums über die vom Medium ausgesandte Strahlung ermittelt, ohne dass das Thermometer in unmittelbaren Kontakt mit dem Medium gebracht wird. Zwischen dem zu messenden Körper und Thermometer muss sich ein Vakuum oder ein Medium, das die Strahlung durchlässt, befinden. Strahlungsmessung wird hier nicht weiter behandelt. 12.3.1
Prinzip der Temperaturmessung
Bei Berührungsthermometern beruht die Temperaturmessung auf dem Prinzip des Temperaturausgleichs. Das Thermometer nimmt nach unendlich langer Zeit die Temperatur des Messmediums an. Ein vollständiger Temperaturausgleich ist nie möglich, aber je nach Ansprechzeit des Thermometers wird in einer gewissen Zeitspanne die für die Messgenauigkeit erforderliche Temperatur erreicht. Das Temperaturmesssystem besteht aus einem Temperaturfühler und einem Messgerät, das ein der Temperatur entsprechendes eindeutiges Ausgangssignal liefert. Bei der
291
12 Strömungsmesstechnik
Auswahl des Messsystems ist darauf zu achten, dass die richtigen Messgeräte eingesetzt werden. Temperaturfühler nutzen die Änderung physikalischer Eigenschaften von Stoffen mit der Temperatur aus. Bei Flüssigkeits- und Bimetallthermometern ändern sich das spezifische Volumen, beim idealen Gasthermometer der Druck, bei Metallen und Halbleitern der elektrische Widerstand und bei Thermoelementen die Thermospannung. 12.3.2
Temperaturmessgeräte
Thermometer werden nach verwendetem Messverfahren unterschieden. Die wichtigsten Thermometer und ihre Messbereiche sind: Flüssigkeitsglasthermometer Flüssigkeitsfederthermometer Dampfdruckfederthermometer Stabausdehnungsthermometer Bimetallthermometer Thermoelemente Widerstandsthermometer
–200 –35 –200 0 –50 –200 –270
bis bis bis bis bis bis bis
800 °C 500 °C 700 °C 1'000 °C 400 °C 2'400 °C 1'000 °C
12.3.2.1 Flüssigkeitsthermometer Flüssigkeitsglasthermometer (Bild 12.11) sind weit verbreitete Temperaturmessgeräte. Sie bestehen aus einem Behälter, welcher der Fühler ist und einer damit verbundenen Glaskapillare konstanten Querschnitts. Als Füllung werden Flüssigkeiten verwendet, deren Wärmedehnungskoeffizient in dem zu benutzenden Temperaturbereich möglichst konstant ist. Häufig verwendete Flüssigkeiten sind Quecksilber, Toluol, Alkohol und Pentangemische. Durch Änderung der Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit im Fühler aus und füllt so das Glasrohr. Die Volumenänderung der Flüssigkeit ist proportional zur Temperatur und damit zur Höhe der Flüssigkeitssäule (Faden) im Glasrohr, an dem eine Skala angebracht ist, auf der die Temperatur abgelesen werden kann. Das Glasrohr wird meistens unter Druck mit einem sauerstofffreien Gas wie Stickstoff oder Argon gefüllt. Für das Glas verwendet man spezielle Sorten, deren Ausdehnungskoeffizienten möglichst klein sind. Das Flüssigkeitsglasthermometer zeichnet sich durch gute Genauigkeit aus. Mit einem geeichten Thermometer kann die Temperatur bei entsprechender Skala mit 0,1 °C Genauigkeit abgelesen werden. Für sehr präzise Messungen ist die Tatsache zu berücksichtigen, dass meist nur der Fühler in das Messmedium eintaucht und sich der Faden im Glasrohr in der Umgebung befindet. Ist die Temperatur am Fühler unterschiedlich zur Temperatur der Umgebung, verfälscht die Temperatur des Fadens das Messergebnis. Diese Verfälschung kann durch folgende Korrektur eliminiert werden:
292
12 Strömungsmesstechnik
- -a E h (-a -F )
(12.7)
Dabei ist ϑa die abgelesene Temperatur, β der Ausdehnungskoeffizient des Fadens, h die Höhe des Fadens, der aus dem Messmedium herausragt, angegeben als Temperaturdifferenz, ϑF die mittlere Fadentemperatur außerhalb des Messmediums. Bei der Höhe h ist zu beachten, dass sie nicht in Metern, sondern in Skalenteilen, also in Kelvin, angegeben ist. Der Wärmedehnungskoeffizient gebräuchlicher Flüssigkeiten sind für Alkohol, Toluol und Pentangemische 0,001/K, für Quecksilber 0,00016/K. Die abweichende Fadentemperatur kann recht große Fehler verursachen (Beispiel 12.3). Flüssigkeitsglasthermometer eignen sich nur für die lokale Temperaturanzeige, sie sind gegenüber mechanischen Beanspruchungen empfindlich und werden deshalb in der industriellen Messtechnik nicht verwendet. Außerdem haben sie eine relativ lange Ansprechzeit. Es gibt auch Flüssigkeitsthermometer, deren Fühler und Messleitungen aus Metall sind. Die Messleitung ist mit einem federelastischen Element verbunden, an dem sich die Temperatur als Wegänderung auswirkt, die in mechanische oder elektrische Anzeige umgewandelt werden kann. Glasrohr
Skala
Flüssigkeit
Fühler
Bild 12.11: Flüssigkeitsglasthermometer
12.3.2.2 Bimetallthermometer bestehen aus zwei Metallstreifen unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten, die mechanisch miteinander verbunden sind. Bei Temperaturänderung dehnen sich die beiden Metallstreifen unterschiedlich aus, was zu einer Verbiegung führt. Diese kann entweder direkt mechanisch oder mit entsprechenden Wandlern elektrisch angezeigt werden. Bimetallthermometer haben keine hohe Genauigkeit. Wegen ihrer Robustheit eignen sie sich jedoch zur industriellen lokalen Temperaturanzeige.
12 Strömungsmesstechnik
293
12.3.2.3 Ideales Gasthermometer Das ideale Gasthermometer besteht aus einem mit idealem Gas gefüllten Behälter konstanten Volumens, der als Messfühler dient und aus einem Druckmessgerät. Bei konstantem Volumen ist der Druck eines idealen Gases proportional zur absoluten Temperatur. Damit kann sie direkt aus dem Druck bestimmt werden. Das ideale Gasthermometer wird praktisch nur in Laboratorien eingesetzt. 12.3.2.4 Widerstandsthermometer Bei Widerstandsthermometern, auch Thermistoren genannt, wird die Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Metallen und Halbleitern ausgenutzt. Halbleiter-Thermistoren, deren Widerstand sich mit zunehmender Temperatur verringert, werden als NTC-Thermistoren (negative temperature coefficient thermistor) oder Heißleiter bezeichnet. Thermistoren, deren Widerstand sich mit zunehmender Temperatur erhöht, heißen PTC-Thermistoren (positive temperature coefficient thermistor) oder Kaltleiter. Metallische Thermistoren sind Kaltleiter. Sie werden meist aus reinen Metallen wie Platin, Kupfer und Nickel hergestellt. Ihr Widerstand R lässt sich in Abhängigkeit von der Temperatur als ein Polynom angeben. R
§ R0 ¨1 ¨ ©
n
·
¦ a - ¸¸ i
i
i 1
¹
(12.8)
Dabei ist R0 der Widerstand bei 0 °C. Beim meistverwendeten Platinwiderstandsthermometer hat man folgende Koeffizienten: n = 2, a1 = 0,390784 . 10-3 °C-1 und a2 = – 0,578408 . 10-6 °C-2 Der Widerstand besteht häufig aus einem dünnen Draht, der auf einen entsprechenden Träger aufgewickelt ist. Bei elektrisch nicht leitenden Fluiden kann das Widerstandsthermometer direkt in das Fluid eingesetzt werden. Für die meisten Anwendungen und vor allem in der industriellen Messtechnik verwendet man Platindrahtwiderstände, die in einem elektrischen Isolator (Aluminiumoxyd) eingebettet und in einer Metallhülse untergebracht sind. Es gibt handelsübliche Fühler, deren Widerstand bei 0 °C 50, 100, 500 und 1'000 Ω betragen. Sie werden entsprechend ihres Widerstands bei 0 °C kurz Pt50, Pt100, Pt500 und Pt1'000 genannt. Früher maß man den Widerstand des Fühlers mit Messbrücken und bestimmte daraus entsprechend Gl. (12.8) die Temperatur. Heute gibt es Messgeräte, in denen die Widerstandsmessung direkt in eine Temperaturanzeige umgewandelt wird. Die Genauigkeit der Temperaturmessung mit Platinwiderständen ist ± 2 K. Dies beinhaltet die Fabrikationstoleranzen der Fühler und die Fehler gebräuchlicher Messgeräte. Mit geeichten Platinwiderständen und genauen Widerstandsmessgeräten wird eine Genauigkeit von ± 0,1 K erreicht. Platindrahtwiderstände können in einem Bereich von –270 °C bis zu 800 °C eingesetzt werden. Um den Widerstand zu messen, muss durch ihn Strom geschickt werden, wodurch sich der Widerstand aufheizt. Aus diesem Grund sollte der Strom so klein wie möglich gehalten werden. Weitere
294
12 Strömungsmesstechnik
Fehler können durch die Zuleitungen auftreten, da auch diese einen Widerstand haben. Für genaue Messungen nimmt man daher die Vierleiter-Messung. Durch zwei Leiter wird der Strom, der zur Widerstandsmessung benötigt wird, eingespeist, an den anderen beiden Leitern wird der Spannungsabfall praktisch stromlos über den Widerstand gemessen. Bild 12.12 zeigt ein typisches Platinwiderstandsthermometer in einem Stahlmantel, außerdem ein Schema der Vierleiter-Messung.
i
Isolation (Al.-Oxyd)
Widerstand
Zuleitungen
Pt100
-
Konstantstromquelle
U
Mantel (Edelstahl)
Bild 12.12: Aufbau des ummantelten Pt100 Messwiderstands und Schema der VierleiterMessung
12.3.2.5 Thermoelemente Temperaturmessung mit Thermoelementen (thermocouple) beruht auf dem Prinzip des thermoelektrischen Effektes. Bringt man zwei metallische Leiter unterschiedlichen Materials an beiden Enden miteinander in eine elektrisch leitende Verbindung, dann strömt, wenn beide Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen haben, Strom durch den Leiter. Unterbricht man einen Leiter, entsteht an der Unterbrechung eine Spannung, die Thermospannung genannt wird, welche in erster Näherung proportional zur Temperaturdifferenz beider Verbindungsstellen ist. Bei der Messung der Thermospannung muss beachtet werden, dass die Anschlüsse des Spannungsmessgeräts ebenfalls aus Metall bestehen und auch dort Thermospannungen entstehen können. Bild 12.13 zeigt das Prinzip der Temperaturmessung mit Thermoelementen und die mögliche Messanordnung. Die Größe der Thermospannung hängt von der gewählten Materialpaarung ab. Für Thermoelementdrähte werden reine Metalle und Legierungen verwendet. Je nach Wahl der Paarungen erhält man für die Thermospannung Kennlinien mit unterschiedlicher Steigung. Die Wahl der Materialien hängt weitgehend von der Höhe der zu messenden Temperatur ab. Häufig verwendete Paarungen sind: NiCr-Ni (Cromel-Alumel), Eisen-Konstantan, Kupfer-Konstantan und verschiedene PlatinRhodiumlegierungen. Thermospannungen vieler Thermoelemente sind in Normen festgelegt. Im Anhang B1 findet man die Tabellen der Cromel-Alumel- und EisenKonstantan-Thermoelemente.
295
12 Strömungsmesstechnik
Material A
ith
-0
Material A
-0
-1 Material B
U th = k ( -0 1)
Thermostrom
-0
C
Material A
B Uth
-1
D
Material B
Messen der Thermospannung mit Leitungen zum Verbinden der Thermoelemente und zum Messgerät aus beliebigem Leiter. Die Temperatur an den Stellen A, B, C und D muss gleich groß sein.
Material B
Messleitung (Kupfer) Messen der Thermospannung mit einer Vergleichsstelle konstanter Temperatur.
Uth
-1
Material B Thermospannung
Material A
Material C A
-1 Uth
U th = k ( -1) 0 Vergleichsstelle mit konstanter Temperatur -
Bild 12.13: Thermospannung und Temperaturmessung mit Thermoelementen
Mit einem Thermoelement, gefertigt aus zwei Drähten, kann die Temperatur in nicht leitenden Fluiden direkt gemessen werden. Heute werden sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase hauptsächlich Mantelthermoelemente verwendet. Hier sind beide Thermodrähte in einem Mantel aus Edelstahl elektrisch isoliert eingeschlossen und so vor äußeren mechanischen, elektrischen und chemischen Einflüssen geschützt. Die Drähte der Thermoelemente können sehr dünn gewählt und die Abmessungen der Ummantelung sehr klein gehalten werden. Damit ist ihre Ansprechzeit sehr gering, sie stören die Temperaturmessung kaum. Man bekommt StandardMantelthermoelemente mit nur 0,3 mm Außendurchmesser. Vorteil der Thermoelemente ist die gute Ansprechzeit und Unabhängigkeit der Messung von der Leitungslänge. Die Genauigkeit neuer Thermoelemente beträgt je nach Material und Temperaturbereich 0,25 bis 0,75 % der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Klemmentemperatur, jedoch mindestens 1 K. Durch Alterung können die Fehler auf über 8 K ansteigen. Mittels Eichung kann die Genauigkeit der Thermoelemente auf 0,1 K verbessert werden. Für Messungen kleiner Temperaturdifferenzen sind Thermoelemente am besten geeignet. Bei Temperaturdifferenzen, die kleiner als 5 K sind, kann sogar mit ungeeichten Thermoelementen eine Genauigkeit von 0,01 K erreicht werden.
296 12.3.3
12 Strömungsmesstechnik
Anordnung des Temperaturmesssystems
Die Temperaturfühler müssen so ausgewählt werden, dass sie bezüglich Genauigkeit und Ansprechzeit den Anforderungen der Messung entsprechen. Will man z. B. sich schnell verändernde Temperaturen messen, muss man Temperaturfühler mit kleiner Masse nehmen. Die Auswahl hängt vom zu messenden Fluid ab. Bei schnell strömenden Flüssigkeiten kann man Fühler mit relativ großer Masse verwenden. Bei langsam strömenden Gasen müssen Fühler mit kleiner Masse (Thermoelemente) gewählt werden. Oft ist es unmöglich, den Fühler direkt mit dem Fluid in Kontakt zu bringen. Dies ist dann der Fall, wenn die chemische Zusammensetzung des Fluids oder die mechanische Beanspruchung des Fühlers einen direkten Einbau nicht erlaubt oder dann, wenn die Fühler öfters entfernt werden müssen. In solchen Fällen baut man sie in Tauchhülsen ein. Diese sind fest installiert und der Temperaturfühler wird in sie gesteckt. Die Tauchhülse muss mit einem entsprechenden Stoff gefüllt sein, damit nicht durch Luftspalte ein zu schlechter thermischer Kontakt entsteht. Solche Stoffe können spezielle Wärmeleitpasten, destilliertes Wasser, Öle usw. sein. Ferner ist zu beachten, dass durch die Temperaturfühler oder Tauchhülsen nicht unzulässig viel Wärme dem Messort zu- oder abgeführt wird. Notfalls sind die Stellen thermisch zu isolieren. Der Einfluss der Wärmestrahlung ist zu berücksichtigen und durch entsprechende Isolierung zu eliminieren. Bei Widerstandsthermometern ist darauf zu achten, dass durch den Strom der Messstelle nicht zu viel Wärme zugeführt wird. BEISPIEL 12.3: Berücksichtigung der Fadentemperatur bei einem Quecksilberthermometer Mittels Quecksilberthermometer wird die Temperatur heißen Wassers von 120 °C gemessen. Das Thermometer ist so angebracht, dass die Skala bis zu 20 °C in einem Tauchrohr ist und die Temperatur des Wassers hat. Oberhalb der 20 °C-Markierung hat das Thermometer die Temperatur der Umgebung von 20 °C. Bestimmen Sie die wirkliche Temperatur des Wassers. 130 120 110
100 90
Lösung
80 70
Schema
20 °C
60
Siehe Skizze
50 40 30
Annahme
20 10
•
Durch die Tauchhülse ist die Messung unverfälscht.
0
120 °C
Wasser
12 Strömungsmesstechnik
297
Analyse Die wirkliche Temperatur kann mit Gl. (12.7) bestimmt werden. Für den thermischen Dehnungskoeffizienten des Fadens setzen wir 0,00016/K ein. Die maßgebliche Fadenhöhe liegt zwischen 120 °C und 20 °C. Somit kann sie als eine Temperaturdifferenz von 100 K angegeben werden.
- -a E h (-a -F ) 120 qC 0,00016 K -1 100 K (120 20) K 121,6 qC Diskussion Durch tiefere Fadentemperatur wird die Temperatur des Wassers um 1,6 K zu klein gemessen. Bei der Berechnung ist zu beachten, dass die Fadenhöhe h nicht in Metern, sondern als Temperaturdifferenz in K eingesetzt wird.
12.4
Geschwindigkeitsmessung
12.4.1
Prinzip der Geschwindigkeitsmessung
Bei Geschwindigkeitsmessgeräten (Anemometern) kommen verschiedene Prinzipien zur Anwendung. Bei mechanischen Geräten nutzt man unterschiedliche Strömungswiderstände an Körpern und die Kraftwirkung der Strömungsgeschwindigkeit, bei Staurohren den dynamischen Druck der Strömung, bei elektrischen Messgeräten die Änderung des Wärmeübergangs mit der Strömungsgeschwindigkeit und den Doppler-Effekt aus. 12.4.2
Geschwindigkeitsmessgeräte
12.4.2.1 Mechanische Messgeräte Es gibt eine große Zahl mechanischer Messgeräte. Das Schalenkreuzanemometer (s. Bild 12.14) wird hauptsächlich zur Messung der Windgeschwindigkeit eingesetzt. Es besteht aus vier Hohlkugeln, die an einem Kreuz angeordnet sind, das in der Mitte drehbar gelagert und mit einem Drehzahlmessgerät verbunden ist. Mit dem Schalenkreuzanemometer wird die Geschwindigkeit, die parallel zum Kreuz strömt, unabhängig von ihrer Richtung in dieser Ebene gemessen. Da der Strömungswiderstand auf der Innenseite einer Hohlkugel etwa dreimal so groß wie auf der Aussenseite ist, wird das Kreuz mit den Halbkugelschalen in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehfrequenz des Kreuzes kann durch Eichung der Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet werden. Schalenkreuzanemometer setzt man in der Meteorologie und Seefahrt zur Messung der Windgeschwindigkeit ein.
298
12 Strömungsmesstechnik
Bild 12.14: Schalenkreuzanemometer
Bild 12.15: Flügelradanemometer
Bild 12.16: Hydrometrischer Flügel
Flügelradanemometer (Bild 12.15) werden für Messungen in Gasen verwendet und bestehen aus einem offenen, kreiszylindrischen Gehäuse, in dem ein axiales Flügelrad, ähnlich dem eines Axiallüfters, angebracht ist. Mit dem Flügelradanemometer wird die Geschwindigkeitskomponente der Strömung, die parallel zur Geräteachse ist, bestimmt. Die in Umfangsrichtung wirkenden Strömungskräfte versetzen das Rad in Bewegung, die Drehfrequenz n des Rades wird gemessen. Theoretisch ist die Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Da das Rad nicht reibungsfrei gelagert werden kann, ist der tatsächliche Zusammenhang nicht linear. Vom Hersteller werden Eichkurven oder Eichtabellen geliefert. Es gibt Flügelradanemometer mit sehr kleinen Abmessungen (10 mm Durchmesser); da sie jedoch die Strömung stören, eignen sie sich nur zur Geschwindigkeitsmessung in größeren Kanälen. Der hydrometrische Flügel (Bild 12.16) arbeitet wie ein Flügelradanemometer. Er hat kein Gehäuse und wird zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten genommen. Diese Geräte sind gegenüber mechanischen Beanspruchungen und Verschmutzungen sehr empfindlich. 12.4.2.2 Staurohre Das Prandtl-Rohr wurde bereits in Kapitel 4.2.1 (Bild 4.4) besprochen. Mit ihm wird senkrecht auf die Bohrung die in der Mitte der Sonde anfallende Geschwindigkeitskomponente der Strömung nach Gl. 4.7 bestimmt. Sie ist nur für Flüssigkeiten und bei Gasen bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit, die etwa 1/3 der Schallgeschwindigkeit beträgt, gültig. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten muss die Kompressibilität des Gases berücksichtigt werden, was durch die Machzahl Ma erfolgt.
12 Strömungsmesstechnik
2 'p dyn
c
(1 0,25 Ma 2 ) U
299
(12.9)
Es gibt eine große Zahl spezieller Sonden, mittels derer sich die verschiedenen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit erfassen lassen. Prandtlrohre werden mit Durchmessern ab ca. 1 mm Außendurchmesser gebaut, somit erfasst man die Strömungsgeschwindigkeit ohne große Störungen. 12.4.2.3 Hitzdraht- und Heißfilmanemometer Das Hitzdrahtanemometer nutzt die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, nach der die Wärmeübergangszahl an einem dünnen Draht proportional zur Quadratwurzel der Strömungsgeschwindigkeit ist. Durch den Draht wird elektrischer Strom geschickt und damit erhitzt (Bild 12.17). Je größer die Wärmeübergangszahl ist, desto mehr Wärme wird vom Draht durch das Fluid wegtransportiert, die Temperatur des Drahtes sinkt. Da der Widerstand des Drahtes temperaturabhängig ist, kann aus der Messung des Spannungsabfalls über dem Draht direkt dessen Temperatur bestimmt werden. Die Messung der Geschwindigkeit erfolgt nach zwei Methoden: Entweder wird der Strom durch den Draht oder die Temperatur des Drahtes konstant gehalten. Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zum Draht und dem Wärmestrom. Die Drähte werden aus Platin oder Wolfram gefertigt. Sie sind sehr dünn (1,5 bis 15 mm) und haben eine Länge von 1 bis 5 mm. Dadurch haben Hitzdrahtanemometer eine sehr schnelle Ansprechzeit. Es gibt Fühler mit zwei oder drei senkrecht zueinander aufgespannten Drähten. Mit ihnen können die Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene bzw. im Raum bestimmt werden. U
Hitzdraht
i Regler Halterung und Stromzuführung
Bild 12.17: Prinzip des Hitzdrahtanemometers
Da die dünnen Hitzdrähte sehr empfindlich sind, setzt man sie praktisch nur in Laboratorien oder bei wissenschaftlichen Messungen ein. Nach dem selben Prinzip funktionieren Heißfilmanemometer, die bei industriellen Messungen eingesetzt werden. Ein sehr dünner, leitender Film wird auf ein Substrat aufgedampft und durch elektrischen Strom erhitzt. Die häufigste Anwendung ist die Luftmassenstrommessung in Automobilen zur Regelung des Kraftstoffmassenstroms.
300
12 Strömungsmesstechnik
12.4.2.4 Laser-Doppler-Anemometer Beim Laser-Doppler-Anemometer (LDA) verändert sich die Frequenz eines rückgestreuten Lichtstrahls, der auf einen Partikel in einer Strömung trifft. Zur Messung wird ein Laserstrahl in zwei Strahlen aufgespalten und über eine Linse fokussiert. Der Schnitt beider Strahlen ist das Messvolumen. In ihm werden Interferenzstreifen erzeugt, die in der Ebene beider fokussierter Strahlen liegen. Durchquert ein Partikel das Messvolumen, werden dort Strahlen rückgestreut und von einem Fotodetektor empfangen. Dessen Signal wird in einem Spektrumanalysator untersucht (Bild 12.18). Die Frequenz der rückgestreuten Strahlen ist im Vergleich um die Dopplerfrequenz zur Laserquelle verschoben. Die Änderung der Frequenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, wobei nur die Komponente der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, die parallel zur Strahlebene und senkrecht zur Achse der Fokussierlinse liegt. Mit dem LDA kann die Geschwindigkeit nur dann gemessen werden, wenn im Fluid entsprechende Partikel vorhanden sind, die das Licht rückstreuen. Sie müssen gegenüber dem Messvolumen klein sein. Idealerweise beträgt ihr Durchmesser 1 bis 5 mm. Im Wasser sind meistens genügend Partikel in Form von Schmutzteilchen oder kleinsten, vom blossen Auge nicht erkennbaren Luftbläschen. Bei Gasen müssen mittels Partikelgeneratoren Streuteilchen erzeugt werden. Mit dem LDA erfolgt die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ohne Störung der Strömung. Da das Messvolumen sehr klein ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit auch sehr nah an der Wand (näher als 0,1 mm) gemessen werden. Das LDA erfasst außerdem Strömungsgeschwindigkeiten, die sich sehr rasch ändern. 0
Strahlteiler
D1
Linse Messvolumen
Laser
Bezugsebene, z. B. Linse
n1
Luft
n2 Spiegel c Strömung
Glas y 0
D2
y
n3
D3 Fotodetektor Spektrumanalysator
Bild 12.18: Anordnung eines Laser-DopplerAnemometers
Weg des gebrochenen Laserstrahls
Weg des ungebrochenen Laserstrahls
Fluid
Bild 12.19: Brechung des Laserstrahls
Da die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit dem LDA meist über eine durchsichtige Wand erfolgt, muss zur Bestimmung des Messorts die Brechung an den Wänden und im Fluid berücksichtigt werden. Bild 12.19 zeigt den Strahlengang durch Wand und Fluide. Beim ungebrochenen Strahl wäre der Schnittpunkt der Strahlen um den Abstand y0 von der Bezugsebene entfernt. Durch die Brechung ist der Abstand y. Nach den Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik wird die Verschiebung von y0 nach y durch folgende Gleichung gegeben:
12 Strömungsmesstechnik
y
ª § cos D 1 « y 0 d ¨1 ¨ « (n2 / n1 ) 2 sin 2 D 1 © ¬
·º (n / n ) 2 sin 2 D 3 1 1 ¸» ¸» cos D 1 ¹¼
301
(12.10)
Dabei sind n1 und n3 die Brechungsindizes der Fluide, n2 die der Wand, d ist die Dicke der durchsichtigen Wand. Auf die Berechnung des Schnittpunktorts kann verzichtet werden. Da der Winkel α1 und die Brechungsindizes konstant sind, kann Gl. (12.10) in vereinfachter Form als y = a . y0 + b angegeben werden. Aus der Messung zweier bekannter Orte y1 und y2 im Fluid (z. B. Abstand der Innenwände) und den dazugehörigen äußeren Orten der Bezugsebene y01 und y02 können die Konstanten a und b bestimmt werden. Damit ist jedem Ort der Bezugsebene die Lage des Strahlenschnittpunkts zugeordnet.
12.5
Flüssigkeitsstandmessung
Bei der Flüssigkeitsstandmessung, auch Niveaumessung genannt, wird die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche in Behältern, Kanälen usw. gemessen. Dies dient zur Bestimmung des Inhalts von Behältern, zur Betätigung von Grenzschaltern und zur Regelung und Steuerung von Ventilen. Bei der Messung des Flüssigkeitsstands kommen viele mechanische und elektrische Verfahren zur Anwendung. Die einfachste Füllstandshöhenmessung kann mittels Schauglas durchgeführt werden. Es ist ein an beiden Enden mit einem Behälter verbundenes senkrechtes Glasrohr. Gemäß des Prinzips kommunizierender Röhren befindet sich das Flüssigkeitsniveau im Glasrohr auf gleicher Höhe wie das Flüssigkeitsniveau im Behälter. Bei gesättigten Flüssigkeiten, die vom Dampf abgeschlossen sind, muss beachtet werden, dass im Schauglas Verdampfung oder Kondensation stattfinden kann. Ist die Temperatur des Schauglases höher als die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit, kann Verdampfung zu Fehlmessungen führen. Ist die Sättigungstemperatur größer als die Temperatur des Schauglases, kondensiert oberhalb des Flüssigkeitsniveaus Dampf. Das entstandene Kondensat fließt zwar nach unten ab, aber je nachdem, wie viel Dampf in das Schauglas strömt, kann der Druckverlust der Dampfströmung die Messung verfälschen. Schaugläser eignen sich nur für lokale Anzeigen und sind gegenüber mechanischen Beanspruchungen empfindlich. Für Medien, bei denen ein Bruch des Schauglases ein unerlaubtes Austreten des Fluids zur Folge hat, werden Metallrohre verwendet, in denen auf der Flüssigkeitsoberfläche ein Magnet schwimmt. Dessen Lage kann lokal, mechanisch oder mit Hilfe eines Wandlers in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Aus der Messung des Druckes bzw. Differenzdruckes der Flüssigkeitssäule ist die Bestimmung der Füllstandshöhe ebenfalls möglich (Beispiel 12.2). Die Füllstandshöhe kann mit einem Peilstab auf einem Schwimmer auf der Oberfläche der Flüssigkeit direkt angezeigt oder mit entsprechenden mechanischen bzw. elektrischen Wandlern in ein Signal umgewandelt werden.
302
12.6
12 Strömungsmesstechnik
Volumenmessung
In der Strömungslehre versteht man unter Volumenmessung die Messung des Fluidvolumens, das durch fortlaufende Zählung des Volumenstroms von einem Gas oder einer Flüssigkeit bestimmt wird. Die einfachste Volumenmessung von Flüssigkeiten ist das Erfassen des Flüssigkeitsvolumens in einem Behälter, in dem aus der Füllstands- oder Gewichtsmessung das Volumen der Flüssigkeit bestimmt wird. Solche Messungen können sehr genau sein, werden aber wegen relativ umständlicher Handhabung nur in Laboratorien oder zur Eichung anderer Messgeräte verwendet. Für industrielle Messung nimmt man so genannte Volumenzähler. 12.6.1
Prinzip der Volumenmessung
Volumenzähler sind Messgeräte, in denen ein bestimmtes Volumen des Fluids erfasst und meist durch Drehung weitertransportiert wird. Die Anzahl der Umdrehungen gibt dann das Volumen des durchströmten Fluids an. Sie werden auf einen mechanischen oder elektrischen Zähler addiert. Die Genauigkeit der Messung hängt von der Dichtigkeit des Messvolumens ab. Hier eine Auswahl wichtigster Geräte: 12.6.2
Volumenzähler
12.6.2.1 Trommelzähler Im Trommelzähler (Bild 12.20) tritt die Flüssigkeit durch das die Trommelachse konzentrisch umgebende Zuführrohr (1) ein und füllt den unten liegenden Teil des Innenzylinders (2) bis zum Überlaufen des Messguts in den Außenteil (3) der Messtrommel. Beim Füllen der Messkammer im Außenteil werden der Schwerpunkt verschoben und die Trommel in eine Drehung versetzt. Durch den Auslaufschlitz (4) läuft die Flüssigkeit in das Gehäuse (5) und verlässt es durch den Ausfluss (6). Trommelzähler eignen sich zur Messung von Flüssigkeiten, die mit einem niedrigen Druck zufließen und drucklos ins Freie auslaufen können. Sie arbeiten sehr genau und haben eine Messabweichung von nur 0,5 %.
Bild 12.20: Trommelzähler
Bild 12.21: Ringkolbenzähler
303
12 Strömungsmesstechnik
12.6.2.2 Ringkolbenzähler Der Ringkolbenzähler (Bild 12.21) zerlegt den Flüssigkeitsstrom kontinuierlich in Messkammerfüllungen bestimmten Volumens. Die Flüssigkeit tritt durch Öffnung E ein und verlässt die Messkammer durch Öffnung A. Während einer oszillierenden Bewegung des Drehkolbens werden die Teilvolumina V1 und V2 von der Eintrittsöffnung E zur Austrittsöffnung A befördert. Während dieser oszillierenden Bewegung des Drehkolbens dreht sich die Kolbenachse 360° um die Kammerachse. Die Umdrehungen werden von einem Zählwerk registriert. Der Messbereich der Ringkolbenzähler ist sehr groß und liegt bei 1 : 20. Je nach Baugröße können Volumenströme bis zu 20'000 l/h gemessen werden. Die Genauigkeit ist besser als 1 %. Ringkolbenzähler eignen sich nur für die Messung sauberer Flüssigkeiten und werden als Hauswasserzähler, Zähler für Kraft- und Schmierstoffe und in der Getränkeindustrie eingesetzt. 12.6.2.3 Ovalradzähler Der Ovalradzähler (Bild 12.22) hat zwei ständig miteinander in Eingriff stehende ovale Zahnräder. Die am Eintritt einströmende Flüssigkeit drückt auf die ovalen Zahnräder und versetzt sie in eine Drehbewegung. Die in einer Messkammer eingeschlossene Flüssigkeit wird durch sie transportiert. Ein Zähler registriert die Drehbewegung der Ovalräder. Die Genauigkeit ist wie die der Ringkolbenzähler. Ovalradzähler werden häufig industriell eingesetzt. Ähnlich aufgebaute Ovalradzähler mit unverzahnten ovalen Drehkolben nimmt man für die Messung von Gasen. Eintritt
Austritt
Messkammer
Ovalrad
Bild 12.22: Ovalradzähler
Einströmöffnung
Ausströmöffnung
Bild 12.23: Flügelradzähler
12.6.2.4 Flügelradzähler Der Flügelradzähler (Bild 12.23) wird hauptsächlich als Hauswasserzähler eingesetzt. Die Flüssigkeit strömt durch unterhalb des Flügelrads liegende tangentiale Eintrittsöffnungen ein und verlässt den Zähler durch die in der Ebene des Flügelrads gelegenen, entgegengesetzt gerichteten Austrittsöffnungen. Dadurch wird das Flügelrad in Drehung versetzt, ein Zählwerk registriert die Umdrehungen. Flügelradzähler sind sehr genau (2 %) und weniger schmutzempfindlich als Ringkolbenzähler. Die Messbereiche liegen nach DIN 3260 zwischen 30 bis 3'000 l/h und 200 bis 30'000 l/h.
304
12 Strömungsmesstechnik
12.6.2.5 Woltmanzähler Der Woltmanzähler (Bild 12.24) unterscheidet sich vom Flügelradanemometer nur dadurch, dass er den gesamten Strömungsquerschnitt einnimmt. Die Drehzahl des Flügelrades wird auf ein Zählwerk übertragen. Er eignet sich für die Messung von Flüssigkeiten mittlerer bis großer Massenströme. Je nach Ausführung liegt die Genauigkeit zwischen 1 und 5 %.
Bild 12.24: Woltmanzähler
12.7
Durchflussmessung
Unter Durchflussmessung versteht man den momentan durch einen bestimmen Strömungsquerschnitt gehenden Volumen- oder Massenstrom eines Fluids. Durchflussmessungen kommen bei der Abnahme von Kraftwerken oder Chemieanlagen, zur Regelung und Steuerung von Prozessen und Produktionsverfahren sowie in Laboratorien zur Anwendung. 12.7.1
Prinzipien der Durchflussmessung
Die einfachste Art, den Durchfluss von Flüssigkeiten zu messen, ist die Messung des ausströmenden Volumens und der dafür benötigten Zeit. Das Volumen, geteilt durch die Zeit, ergibt den Volumenstrom. Die Messung des Volumens kann mit einem Volumenzähler erfolgen. Mit der Dichte des Fluids wird der Massenstrom berechnet. Dieses Verfahren verwendet man bei einzelnen Messungen und in Laboratorien. Es gibt Volumenzähler, in denen die Drehzahl mit interner elektronischer Zeitmessung direkt in ein Volumen- oder Massenstromsignal umgewandelt wird. Andere Geräte, bei denen der Volumen- oder Massenstrom direkt abgelesen wird, nutzen folgende physikalische Prinzipien: Den Druckverlust bei Drosselung, die Widerstandskraft umströmter Körper (Schwebekörperdurchflussmesser), die in elektrisch leitender Flüssigkeit induzierte Spannung (elektromagnetische Durchflussmesser) und die Laufzeit von Schallwellen (Ultraschall-Durchflussmesser). Bei sehr grossen Massen- oder Volumenströmen misst man Strömungsgeschwindigkeit oder Verdünnung einer Spursubstanz (Tracer).
12 Strömungsmesstechnik
12.7.2
305
Durchflussmessmethoden und -geräte
12.7.2.1 Aus der Messung der Strömungsgeschwindigkeit Wenn bei sehr grossen Massen- oder Volumenströmen der Einbau eines Durchflussmessgerätes nicht möglich ist, kann der Durchfluss aus direkter Messung mittlerer Strömungsgeschwindigkeit mit der Kontinuitätsgleichung bestimmt werden. Diese Messmethode wendet man vorwiegend in offenen Kanälen oder in großen Rohrleitungen an. Hier wird nur die Messung in Rohren kreisförmigen Querschnitts behandelt. Den Volumen- und Massenstrom bestimmt man nach den Gln. (3.3) und (3.4) aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Hier gilt, die mittlere Geschwindigkeit der Strömung aus Messungen der lokalen Geschwindigkeiten an verschiedenen Orten zu bestimmen. Dazu könnte die Geschwindigkeit an vielen Orten im Rohr bestimmt, grafisch aufgetragen und integriert werden. Je mehr Messpunkte man auswählt, desto genauer wird die Messung, der Messaufwand vergrößert sich jedoch. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Geschwindigkeitsprofil an zwei orthogonalen Durchmessern zu messen. Die Anzahl der Messpunkte an einem Durchmesser werden je nach geforderter Genauigkeit, Größe des Rohrs und Messeinrichtung festgelegt. Die Auswahl der Messorte muss so sein, dass die Abstände zur Rohrwand kleiner werden. Die häufigst verwendete Abstufung erfolgt nach der so genannten Trapezregel, die folgende Messradien liefert: 2 i 3 / 2 (i 1) 3 / 2 R 3 n
ri
(12.11)
Dabei ist ri der Messradius, i die Ordnungszahl, n die Anzahl der Messstellen und R der Innenradius des Rohrs. In ausgebildeten Strömungen genügt es, bei etwa 5 verschiedenen Radien zu messen. Liegt der Messort nach einem Krümmer oder Einlauf, muss die Anzahl der Messradien auf 10 bis 20 erweitert werden. Aus den bei einem Messradius gemessenen vier Geschwindigkeiten wird die mittlere Geschwindigkeit cm(ri) für diesen Radius gebildet. Messpunkte
I R .
II
c(r) r
r
VI
dr
. V 2S
III r
Bild 12.25: Bestimmung des Volumenstroms aus der Geschwindigkeitsmessung
c m (ri )
(cIi c IIi cIIIi c IVi ) / 4
(12.12)
306
12 Strömungsmesstechnik
Zur Ermittlung des Volumenstroms muss die Geometrie des Rohrs berücksichtigt werden. Der Volumenstrom in einem zylindrischen Rohr ist gegeben als: R
V
³c A
m
dA 2 S cm (r ) r dr
³
(12.13)
0
Zur Bestimmung des Volumenstroms wird das Produkt aus den mittleren Geschwindigkeiten und dem Radius cm(r) . r über dem Radius r in ein Diagramm eingetragen. Die eingeschlossene Fläche entspricht dem Volumenstrom. Die Integration kann grafisch oder mit entsprechendem Programm erfolgen. Bei nicht zylindrischen Kanälen muss über die Fläche entsprechend integriert werden. BEISPIEL 12.4: Bestimmung des Volumenstroms aus der Geschwindigkeitsmessung Mit dem Prandtlrohr wird in einem luftdurchströmten Rohr mit 100 mm Innendurchmesser der Staudruck orthogonal der Trapezregel entsprechend an sieben Messstellen und in der Rohrmitte gemessen. Die Dichte der Luft ist 1,18 kg/m3. Die Ergebnisse der Messung sind in nachstehender Tabelle zusammengestellt. Radius in mm r 0,00 12,60 23,04 29,83 35,33 40,07 44,31 48,17
I 260 244 222 204 187 167 142 103
Staudruck in Pa II III 260 256 240 236 218 225 200 199 183 185 162 165 138 140 100 101
Berechnen Sie den Volumen- und Massenstrom.
IV 256 245 221 207 194 173 142 107 I
II
Lösung ø100mm
Schema Analyse
Siehe Skizze IV
III Messpunkte
Zunächst müssen die lokalen Geschwindigkeiten c(ri) bestimmt werden. Man berechnet sie mit Gl. (4.7) aus dem Staudruck. Die mittlere Geschwindigkeit für verschiedene Radien erhalten wir aus Gl. (12.12). Die Berechnungen sind in nachstehender Tabelle zusammengefasst.
307
12 Strömungsmesstechnik
Radius r mm 0,00 12,60 23,04 29,83 35,33 40,07 44,31 48,17
I 20,99 20,34 19,40 18,59 17,80 16,82 15,51 13,21
Geschwindigkeit in m/s II III 20,99 20,83 20,17 20,00 19,22 19,53 18,41 18,37 17,61 17,71 16,57 16,72 15,29 15,40 13,02 13,08
IV 20,83 20,38 19,35 18,73 18,13 17,12 15,51 13,47
cm(r) m/s 20,91 20,22 19,38 18,53 17,81 16,81 15,43 13,20
r . cm(r) m2/s 0,0000 0,2548 0,4464 0,5526 0,6294 0,6736 0,6838 0,6356
Die berechneten Werte wurden in das Programm Origin übertragen, die Funktion r . cm(r) grafisch dargestellt und integriert. 0,7 2
m /s 0,6 0,5 0,4
c r
.
0,3 3
0,0210 m /s
0,2 0,1 0
0
0,01
0,02
0,03 Radius r
0,04
m 0,05
Die Integration ergab für die Fläche im Diagramm den Wert von 0,0210 m3/s. Mit 2π multipliziert, bekommt man für den Volumenstrom 0,132 m3/s. Den Massenstrom erhalten wir durch Multiplikation des Volumenstroms mit der Dichte als: 0,156 kg/s. Diskussion Die Bestimmung des Massensstroms aus der Geschwindigkeitsmessung ist vom Mess- und Rechenaufwand her sehr zeitintensiv. Sie wird nur dann durchgeführt, wenn keine anderen Messmethoden zur Verfügung stehen. 12.7.2.2 Drosselmessgeräte In einem Drosselmessgerät wird der Strömungsquerschnitt verengt. Durch diese Verengung erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, der Druck sinkt. Die Druckdifferenz, gemessen im Strömungsquerschnitt AD vor der Verengung und im Strömungsquerschnitt Ad der Verengung wird als Wirkdruck bezeichnet. Er kann ein-
308
12 Strömungsmesstechnik
deutig dem Durchfluss zugeordnet werden. Prinzipiell ist jede beliebige Drosselung für die Durchflussmessung geeignet. Um die durch Reibung und Strahleinschnürung verursachten Druckverluste zu berücksichtigen, müssten für jedes Drosselmessgerät Eichungen mit dem Messmedium durchgeführt werden. Die von einer Eichung unabhängigen Drosselmessgeräte für kreisförmige Querschnitte sind in Normen festgelegt, in denen Geometrie und Fertigungstoleranzen vorgeschrieben sind. Normdüsen, Normblenden und Normventuridüsen sind nach EN ISO 5167-1 festgelegt, Bild 12.26 zeigt sie auszugsweise.
Bild 12.26: Drosselmessgeräte nach EN ISO 5167-1
In einem Drosselgerät ohne Berücksichtigung der Reibung und Strahleinschnürung sind Volumen- und Massenstrom nach den Gln. (4.11) und (4.12) gegeben. Führt man für das Verhältnis der Flächen AD und Ad die Größe m = Ad/AD = (d/D)2 ein, ergibt Gl. (4.12) für den Massenstrom: m th
Ad
2 'p U 1 m2
(12.14)
Um den Reibungsdruckverlust und die Dichteänderung bei Gasen zu berücksichtigen, sind in EN ISO 5167-1 Durchflusszahlen α und Expansionszahlen ε für Drosselgeräte angegeben.
309
12 Strömungsmesstechnik
Der Massen- und Volumenstrom werden folgendermaßen berechnet: m D H Ad 2 'p U1
D H m AD 2 'p U1
(12.15)
V
D H m AD 2 'p / U1
(12.16)
D H Ad 2 'p / U1
Index 1 bei der Dichte bezieht sich auf den Druck vor der Drosselung. Bei Flüssigkeiten ist die Expansionszahl gleich 1. Die Durchflusszahlen sind in Abhängigkeit des Öffnungsverhältnisses und der Reynoldszahl tabelliert. Die Reynoldszahl wird mit mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und dem Durchmesser vor der Drosselung berechnet. Die Expansionszahlen sind als Funktion des Druckverhältnisses, des Öffnungsverhältnisses und des Isentropenexponenten gegeben. Durchflussund Expansionszahlen nach EN ISO 5167-1 sind im Anhang B2 bis B5 tabelliert oder können mit FMA1201 berechnet werden. Der Gültigkeitsbereich von EN ISO 5167-1 für verschiedene Drosselgeräte folgt aufgelistet in Tabelle 12.1: Tabelle 12.1: Gültigkeitsbereich EN ISO 5167-1
Normdüsen Normblenden Normventuridüsen
D 50 bis 500 mm 50 bis 1'000 mm 65 bis 500 mm
m 0,10 bis 0,64 0,05 bis 0,64 0,1 bis 0,60, jedoch d > 50 mm
Die Durchflussmessung mit dem Drosselgerät wird sehr stark von der Strömung vor und nach der Drosselstelle beeinflusst. Deshalb muss vor und nach der Drosselstelle eine gerade Rohrstrecke genügender Länge konstanten Strömungsquerschnitts vorhanden sein. Die Länge dieser Ein- und Auslaufstrecke ist von dem Öffnungsverhältnis m und den vor der Drosselstelle eingebauten Rohrleitungselementen abhängig. Nach EN ISO 5167-1 sind folgende Längen als ein Vielfaches des Rohrdurchmessers angegeben: Tabelle 12.2: Ein- und Auslaufstrecken für Normdrosselorgane
Einlauf
Auslauf
Störung durch m= einen oder mehrere 90°-Krümmer in einer Ebene dito in verschiedenen Ebenen offenen Schieber offenes Ventil unabhängig
0,05 14 34 12 18 4
0,1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,64 16 22 29 38 48 52 34 44 52 62 74 80 12 14 16 20 26 30 18 22 26 32 40 44 5 6 7 7 8 8
310
12 Strömungsmesstechnik
Für andere Rohrleitungselemente sind Angaben in EN ISO 5167-1 zu finden. Vorteil der Normdrosselmessgeräte ist, dass sie keine zusätzliche Eichung brauchen. Normblenden können sehr einfach gefertigt und in eine Flanschverbindung eingesetzt werden. Sie haben aber im Vergleich zu Normdüsen und Normventuridüsen einen höheren bleibenden Reibungsdruckverlust (s. 7.2.6). Bei genauen Messungen und wenn ein großer Druckverlust verboten ist, wählt man Normdüsen oder -venturidüsen. Die Genauigkeit der Durchflussmessung ohne Kalibration liegt bei 3 bis 4 %. Der Messbereich der Durchflussmessung mit Drosselmessgeräten ist relativ klein, da der Durchfluss proportional zur Quadratwurzel des Wirkdruckes ist. Bei Verwendung extrem genauer Differenzdruckmessgeräte kann der Bereich 1: 6 betragen, sonst 1: 3. BEISPIEL 12.5: Messung des Volumenstroms mit einer Normdüse In einem Rohr mit 51,4 mm Durchmesser strömt Luft. Der Volumenstrom soll mit einer 30 mm-Normdüse bestimmt werden. Die Temperatur der Luft beträgt 27 °C. Über der Blende wird eine Druckdifferenz von 127 mbar gemessen. Der Druck ist vor der Blende 45 mbar höher als der Umgebungsdruck pU, der an einem Quecksilberbarometer mit 743,2 mmHg abgelesen wird. Die kinematische Viskosität der Luft beträgt 18 . 10-6 m2/s. Bestimmen Sie den Volumenstrom der Luft. 'pw
Lösung Schema
p
1
p2
Siehe Skizze d = 30 mm
D = 51,4 mm
Annahmen • •
Die Luft ist ein ideales Gas. An- und Ablaufstrecken sind ausreichend lang.
Analyse Der Volumenstrom ist mit Gl. (12.16) zu berechnen. Die Dichte der Luft bestimmt man mit der Zustandsgleichung idealer Gase. Der dazu nötige Druck wird aus dem Umgebungsdruck pU und gemessenen Differenzdruck ∆pU berechnet. Zur Umrechnung des Barometerdruckes setzt man für 1 mm Hg-Säule 133,32 Pa ein. Der Umgebungsdruck ist damit 743,2 mmHg . 133,32 Pa/mmHg = 99'083 Pa. Der Druck p1 vor der Blende berechnet sich zu pU + ∆pU = 100'583 Pa. Dichte der Luft ρ1:
U1
p1 R T1
100'583 Pa 287,1 J/(kg K) 300,15 K
1,202 kg/m 3
311
12 Strömungsmesstechnik
Um den Volumenstrom aus Gl. (12.16) zu ermitteln, müssen Expansions- und Durchflusszahl bestimmt werden. Die Expansionszahl ist nach Anhang B2 eine Funktion des Öffnungsverhältnisses m = d2/D2, des Druckverhältnisses p1/p2 und der Isentropenexponenten κ. Der Isentropenexponent der Luft beträgt 1,4. Da die Interpolation mit m2 und p1/p2 erfolgt, müssen diese Größen berechnet werden. m p 2 / p1
d 2 / D2
30 2 / 51,4 2
( p1 'p w ) / p1
0,3407 m 2
0,1160
(99'128 12'700) / 99'128
0,872
Aus Tabelle B4 kann die Expansionszahl interpoliert werden. Für m2 = 0,116 erhalten wir folgende Werte: e (m2 = 0,116; p1/p2 = 0,90) = 0,9363
e (m2 = 0,3407; p1/p2 = 0,85) = 0,9038
Der Wert für p1/p2 = 0,872 ist daraus: ε (m2 = 0,116; p1/p2 = 0,872) = 0,9181 Die Durchflusszahlen sind in Tabelle B2 als eine Funktion von m2 und Re gegeben. Die Reynoldszahl ist aber erst dann bekannt, wenn der Volumenstrom berechnet ist. Er muss iterativ bestimmt werden. Unter der Annahme, dass die Reynoldszahl 105 ist, erhalten wir eine Durchflusszahl von 1,0239. Der Volumenstrom nach Gl. (12.16) ist: V
0,097 m 3 /s
D H Ad 2 'p / U1
Mit dem Volumenstrom können jetzt Geschwindigkeit c1 und Reynoldszahl berechnet werden. c1
V / AD
46,4 m/s
Re
c1 D
K1
46,4 m/s 0,0514 m 18 10 6 m 2 /s
133'173
Die Reynoldszahl ist größer als angenommen. Für die errechnete Reynoldszahl ist die Durchflusszahl 1,0245. Damit wird der Volumenstrom 0,097 m3/s, was innerhalb der Messgenauigkeit liegt und deshalb keine weitere Integration erfordert. Diskussion Der Volumenstrom kann mit der Normblende nach EN ISO 5167-1 bestimmt werden. Es ist zu beachten, dass zwischen den angegebenen Werten von m2 (nicht von m) und von Re linear interpoliert werden muss. 12.7.2.3 Schwebekörper-Durchflussmesser Beim Schwebekörper-Durchflussmesser wird ein Körper spezieller Form in einem senkrechten, nach unten zulaufenden konischen Rohr durch die Widerstandskraft in der Schwebe gehalten (Bild 12.27). Mit zunehmendem Durchfluss erhöht sich die Widerstandskraft und der Schwebekörper wird nach oben bewegt. Gleichzeitig ver-
312
12 Strömungsmesstechnik
größert sich aber der Strömungsquerschnitt, die Widerstandskraft verringert sich. Der Schwebekörper nimmt für jeden Volumenstrom eine andere Höhenlage ein, durch Eichung kann er eindeutig der Schwebehöhe zugeordnet werden. Die Ablesung erfolgt an der Messkante des Schwebekörpers mit geeichter Skala. Die Höhenlage des Schwebekörpers ist nicht nur vom Volumenstrom, sondern auch von der Dichte des Messfluids abhängig. Hersteller dieser Geräte liefern Korrekturfunktionen für die Fluiddichte. Der Messbereich ist ca. 1: 10, die Messgenauigkeit liegt zwischen 1 und 3 %.
Skala
Messkante
konisches Rohr Schwebekörper FA + FW
FG
Durchflussrichtung
Bild 12.27: Schwebekörper-Durchflussmesser
12.7.2.4 Elektromagnetische Durchflussmessgeräte Diese Geräte arbeiten nach dem Faraday'schen Induktionsprinzip. Bewegt man einen Leiter senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfeldes, entsteht im Leiter eine induzierte Spannung, die proportional zur Geschwindigkeit des Leiters ist. Legt man senkrecht zur Strömungsrichtung eines elektrisch leitenden Fluids ein Magnetfeld an, wirkt das strömende Fluid wie ein Leiter (Bild 12.28). Zwischen zwei an der Rohrwand angebrachten Elektroden kann eine induzierte Spannung abgelesen werden, die proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist. Entsprechend der elektromagnetischen Daten und Dimension des Gerätes wird vom Hersteller eine Gerätekonstante angegeben, mit der die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom bestimmt werden. Die induzierte Spannung ist unabhängig von Viskosität, Dichte, Temperatur und Druck des Fluids. Dessen Leitfähigkeit muss aber größer als 1 µS/cm sein.
12 Strömungsmesstechnik
313
Bild 12.28: Prinzip elektromagnetischer Durchflussmessung
Die Geräte haben keine beweglichen Teile und sind gegenüber Verschmutzung und Einlaufstörungen unempfindlich. Der Druckverlust des Gerätes entspricht einem geraden Rohr derselben Länge und ist damit extrem klein. Elektromagnetische Durchflussmessgeräte werden mit Innendurchmessern zwischen 2 und 2'000 mm angeboten. Die Genauigkeit liegt bei 0,1 % des Messbereichs. 12.7.2.5 Ultraschall-Durchflussmessgerät Das Messprinzip des Ultraschall-Durchflussmessgeräts beruht darauf, dass in einer Strömung die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Schallwelle Schallgeschwindigkeit plus Strömungsgeschwindigkeit ist. Im Gerät senden zwei Sender Ultraschallwellen in das zu messende Fluid aus. Vom einen Sender werden Schallwellen in, vom anderen gegen die Strömungsrichtung geschickt. Damit ist die Durchlaufzeit der Schallwellen zu beiden Empfängern unterschiedlich groß. Das Messgerät bildet ein Signal, das der Differenz der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten beider Schallwellen entspricht und damit proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist. Mit diesen Messgeräten kann der Volumenstrom bestimmt werden. Ultraschall-Durchflussmessgeräte weisen die gleichen Vorteile wie elektromagnetische Durchflussmesser auf. Sie können auch in elektrisch nicht leitenden Fluiden verwendet werden. Die Genauigkeit dieser Messgeräte liegt bei 0,2 %.
314
12 Strömungsmesstechnik
12.7.2.6 Tracer-Durchflussmessung In eine Strömung wird eine Spurensubstanz (Tracer) mit bekanntem, sehr kleinen Massenstrom injiziert. Sie vermischt sich nach einem bestimmten Strömungsweg mit dem strömenden Fluid. Aus der Konzentration des Tracers kann mit einer Massenbilanz der Massenstrom bestimmt werden. In Flüssigkeiten verwendet man als Tracer Salzlösungen oder Farben, in Gasen vorzugsweise Edelgase (Helium). Bild 12.29 zeigt das Prinzip der Tracer-Durchflussmessung. .
m
.
m Probenahme c
0
Tracerinjektion c
Probenahme c
0
B
Bild 12.29: Prinzip der Tracer-Durchflussmessung
Durch eine genaue Dosierpumpe wird der Tracer mit bekanntem Massenstrom m 0 und bekannter Konzentration c0 in die Strömung eingespritzt. Stromab und stromauf der Einspritzstelle entnimmt man jeweils eine Probe. In diesen Proben werden die Konzentrationen des Tracers stromab c und stromauf cB (B für back ground) bestimmt. Die Probenahme stromauf dient zur Bestimmung des eventuell vorhandenen Tracers in der Strömung vor der Einspritzstelle. Die Massenbilanz für den Tracer lautet: m 0 c0
(m m 0 ) c m c B
(12.17)
aufgelöst werden. Gleichung (12.17) kann nach dem gesuchten Massenstrom m m
m 0 (c0 c) c cB
(12.18)
Im Gegensatz zur Durchflussmessung mit Drosselmessgeräten sind Störungen in der Strömung vorteilhaft, weil sie eine gute Durchmischung des Tracers bewirken. Bei Tracermessung ist darauf zu achten, dass eine genügend lange Strömungsstrecke vorhanden ist, damit sich der Tracer mit dem Messfluid homogen vermischt. Besonders gut geeignet ist die Einspritzung des Tracers vor Pumpen, weil durch sie eine sehr gute Durchmischung erfolgt. Die Tracermessung ist relativ aufwändig und eignet sich daher nicht für betriebliche Messungen. Sie ist aber je nach verwendetem Tracer sehr genau (0,1 %) und wird daher für Abnahmemessungen und zur Eichung anderer Durchflussmessgeräte eingesetzt. Mit der Tracermessung können in einer zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Strömung der Massenstromanteil der Flüssigkeit und des Gases direkt gemessen werden.
315
12 Strömungsmesstechnik
BEISPIEL 12.6: Messung des Massenstromes in der Speisewasserleitung In einem Kraftwerk wird der Massenstrom mit Tracermessung bestimmt. Als Tracer nimmt man eine Kochsalzlösung mit 0,1 kg NaCl pro kg Lösung. Der Massenstrom der Tracereinspritzung ist 1 g/s. An der Entnahmestelle stromabwärts der Einspritzung wird eine Konzentration von 124,5 ppb, stromaufwärts von 9,6 ppb gemessen. Bestimmen Sie den Massenstrom des Speisewassers. Lösung Annahmen • •
Bis zur Entnahmestelle ist die Durchmischung des Tracers vollständig. Der Massenstrom der Injektion ist konstant.
Analyse Der Massenstrom kann mit Gl. (12.18) bestimmt werden. Zu beachten ist die Verwendung richtiger Einheiten. Die Konzentration der Einspritzung gibt man in kg/kg an, die Konzentration der Entnahmen aber mit ppb, was aus dem Englischen stammt und parts per billion, d. h. Teile pro Milliarde bedeutet. Die Einheit ppb entspricht 10-9 kg/kg. Somit erhalten wir für den Massenstrom: m
m 0 (c0 c) c cB
10 3 kg/s (0,1 124,5 10 9 ) 124,5 10 9 9,6 10 9
870,3 kg/s
Diskussion Der Massenstrom der Tracereinspritzung ist beinahe 106 mal kleiner als der Massenstrom des Speisewassers. Für die Bestimmung der Konzentration benötigt man sehr genaue Messgeräte. Durch die Verwendung schwach radioaktiver Tracer wie z. B. Na24-Isotopen verbessert sich die Genauigkeit, weil die Messung der Konzentration exaktere Werte liefert.
12.8
Auswertung von Messungen
Die Auswertung der Messungen ergibt Größen, welche durch die Messung ermittelt werden sollten. Diese Größen können entweder aus unmittelbaren Messungen oder vermittelnden Messungen bestimmt werden. Beispiele für unmittelbar gemessene Größen sind Länge, Temperatur, Druck, Differenzdruck usw. Bei den meisten Messungen resultiert die gesuchte Größe nicht aus einer unmittelbar gemessenen Größe, sondern sie ist eine Funktion mehrerer unmittelbar gemessener Größen. So wird
316
12 Strömungsmesstechnik
z. B. der Massenstrom mit einer Blende aus unmittelbar gemessenem Differenzdruck, der Dichte des Fluids bzw. dem Rohr- und Blendendurchmesser bestimmt. Alle unmittelbar gemessenen Größen sind grundsätzlich mit Fehlern behaftet. Sie wirken sich entsprechend der funktionellen Abhängigkeit auf die zu bestimmende Größe aus. Bei einer Messanordnung, bestehend aus Versuchsobjekt und Messeinrichtungen, wird die Genauigkeit und der Vertrauensbereich der Messung durch die angewandten Messverfahren und die Genauigkeit der Messeinrichtungen bestimmt. Aufgabe der Fehlerrechnung ist die Bestimmung der Genauigkeit und des Vertrauensbereichs einer Messung. Fehler haben unterschiedliche Ursachen. 12.8.1
Fehlerarten
12.8.1.1 Systematische Fehler entstehen durch Irrtum oder Wahl ungeeigneter Verfahren. Beispiele hierfür sind: • • • • •
falsches Ablesen der Messergebnisse (Parallaxenfehler, "Wunschwerte") ungeeignete Messgeräte (Messung schneller Vorgänge mit trägen Messgeräten, unberücksichtigte Kabelwiderstände) Einfluss des Messgeräts auf das Messobjekt (Aufheizen eines Widerstandsthermometers durch den Messstrom, Stören der Strömung durchs Prandtlrohr) Umwelteinflüsse (Temperatur, Druck, Magnetfelder, Luftfeuchtigkeit) fehlerhafte Messeinrichtungen (Eichfehler, Funktionsfehler).
Vermeidbare Fehler müssen durch geeignete Kontrollen eliminiert werden. Solche Kontrollen sind: Periodische Kalibrierung der Messeinrichtungen, Ablesen der Messwerte durch mehrere Personen oder Datenerfassungsanlagen, Prüfung der Messeinrichtungen vor der Messung durch Eichung und alternative Messverfahren bzw. rechnerische Korrektur der vom Hersteller angegebenen Umwelteinflüsse. Systematische Fehler werden durch die Fehlerrechnung nicht erfasst. Deren Behebung ist prinzipiell immer möglich, sie sind aber in der Praxis entsprechend der geforderten Genauigkeit und dem vertretbaren Aufwand nicht vollständig eliminierbar, sie werden dann zu zufälligen Fehlern. Beispielsweise kann die Temperatur mit einem kalibrierten Thermoelement auf ± 0,1 K genau gemessen werden. Ist das Thermometer nicht geeicht, liegt die Genauigkeit bei ± 1,2 K.
12 Strömungsmesstechnik
317
12.8.1.2 Zufällige Fehler Zufällige Messfehler entstehen durch nicht erkennbare und nicht beeinflussbare Änderungen des Messgeräts, des Messobjekts, durch Umwelteinflüsse und durch Unzulänglichkeit der menschlichen Sinnesorgane. Zufällige Fehler haben bei gleichen Messungen unter den gleichen Bedingungen unterschiedliche Größen und Vorzeichen. Damit können sie durch eine Anzahl wiederholter Messungen unter den gleichen Bedingungen vermindert werden. Zufällige Fehler werden durch die Fehlerrechnung mit statistischen Methoden erfasst. 12.8.2
Fehlerrechnung
Die Fehlerrechnung erfasst alle zufälligen Fehler. Ist der Messwert xM und der wahre Wert der zu messenden Größe xW, ist der wahre Fehler:
H
x M xW
Da ε unbekannt ist, wird er durch die geschätzten Fehlerwerte ∆x aus den erfassbaren systematischen Fehlern und den statistischen Schwankungen der Messwerte ersetzt. Der wahre Wert liegt dann mit großer Wahrscheinlichkeit im Intervall xM – |∆x| < xW < xM + |∆x| und wird in der Form xW = xM ± |∆x| angegeben. Bei Fehlern wird zwischen absoluten und relativen Fehlern unterschieden. Für die Angabe der Genauigkeit einer Messgröße ist der absolute Fehler verwendbar. Zum Vergleich der Genauigkeit von Messverfahren wird der relative Fehler verwendet. Der absolute Fehler ist der wahre Fehler oder näherungsweise der geschätzte Fehlerwert. Er hat die gleiche Dimension wie der wahre Wert. Der relative Fehler ist der Quotient aus dem wahren Fehler und wahren Wert. § 'x · ¨¨ ¸¸ 100 in % © xM ¹ Die Genauigkeit einer Messung wird durch die Messunsicherheit bestimmt. Zu deren Berechnung werden die zufälligen Fehler zusammengefasst. Mit Methoden der Ausgleichsrechnung und Statistik wird ihre Größe bestimmt. Die Messunsicherheit kann desto zuverlässiger geschätzt werden, je größer die Zahl der wiederholten Messungen ist.
H
xW
|
'x xM
12.8.2.1 Geschätzte Fehler einer Einzelmessung Die Fehler einer Einzelmessung sind durch die Genauigkeit des Messsystems und Ablesegenauigkeit gegeben. Die Genauigkeit des Messsystems ist abhängig von der Genauigkeit des Messgeräts, die vom Hersteller als absolut oder relativ angegeben wird und von der Genauigkeit der Elemente, die im Messsystem verwendet werden. Bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement z. B. ist die Genauigkeit des Millivoltmeters und die Genauigkeit des Thermoelements inklusive der
318
12 Strömungsmesstechnik
Anschlüsse und Zuleitungen maßgebend. Meist wird die Genauigkeit solcher Messketten direkt angegeben oder durch Eichungen bestimmt. Die Ablesegenauigkeit hängt von den verwendeten Anzeigen ab. Bei digitalen Anzeigen ist die Ablesegenauigkeit ± 1 Digit. Bei Analoganzeigen ist die Ablesegenauigkeit von der Skalenteilung abhängig. Als grober Richtwert können bei enger Skalenteilung ± 1 Skalenteil, bei normaler Skalenteilung ± 0,5 Skalenteile angegeben werden. Der geschätzte Fehler der Einzelmessung ist die Summe der Ablesegenauigkeit und die der Genauigkeit des Messsystems. 12.8.2.2 Fehler einer Messreihe Wird eine Größe unter absolut gleichen Bedingungen wiederholt gemessen, weisen bei einer großen Zahl von Messungen die gemessenen Werte positive und negative Abweichungen zum wahrscheinlich wahren Wert der Messgröße auf. Der arithmetische Mittelwert x dieser Messungen zeichnet sich dadurch aus, dass die Summe der Fehlerquadrate zu diesem Mittelwert zu einem Minimum wird. Bei n Messungen der Größe x ist der arithmetische Mittelwert: x
1 n
i n
¦x
(12.19)
i
i 1
Ein Maß für die Genauigkeit des Messwerts ist die Streuung oder Varianz σ: i n
¦ (x x )
2
i
V
r
i 1
(12.20)
n
Der mittlere Fehler der Einzelmessung s ist folgendermaßen definiert: i n
¦ (x x ) i
s
r
i 1
2
(12.21)
n 1
Der Nenner wird um 1 vermindert, da mindestens eine Messung zur Bestimmung des gesuchten Wertes notwendig ist. Die übrigen (n – 1)-Werte sind überzählig und dienen zur Erhöhung der Messgenauigkeit. In der Literatur wird der mittlere Fehler der Einzelmessung oft auch als Standardabweichung bezeichnet.
12 Strömungsmesstechnik
319
Trägt man die Anzahl der Messungen (Häufigkeit), bei denen die zu messende Größe mit dem Wert x gemessen wurde, über dem Messwert x auf, erhält man eine Gauß- oder Normalverteilung der Messergebnisse. Am häufigsten wird der arithmetische Mittelwert oder wahrscheinliche Wert gemessen. Man spricht von einer Verteilungskurve der Messergebnisse. Sie ist um den Wert x symmetrisch. Bei unendlich vielen Messungen wird die Häufigkeit des gemessenen Werts, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Mittelwert der Messung x der Wert x gemessen wird, durch die Gauß-Verteilungsfunktion gegeben:
M ( x)
1 s 2 S
e
1 § xx · ¨ ¸ 2© V ¹
2
(12.22)
Die Funktion ϕ (x) gibt die Häufigkeit an, wie oft der Messwert x bei unendlich vielen Messungen mit der vorhandenen Streuung σ gemessen wird. Je kleiner die Streuung, desto öfter erscheint ein Messwert mit dem arithmetischen Mittelwert und desto genauer ist die Messung. Da die Häufigkeit eine Wahrscheinlichkeit ist, wird das Integral der Funktion ϕ (x) von minus bis plus unendlich gleich 1. Gibt man den arithmetischen Mittelwert und die Werte der Einzelmessungen als ein Vielfaches der Streuung an, vereinfacht sich Gl. (12.22) zu:
M ( x)
1 2 S
e
1 ( x x ) 2 2
(12.23)
Bild 12.30 zeigt diese Verteilungskurve. Integriert man Gl. (12.23) in einem Intervall, das die Fehlergrenzen darstellt, erhält man die Wahrscheinlichkeit, mit der der gemessene Fehler in diesem Intervall anzutreffen ist. Das Integral von –1 bis +1 ergibt den Wert von 0,683. Damit liegen 68,3 % aller gemessenen Werte innerhalb der Streuung der Messungen. 0,4
M (x )
0,3
0,2
0,1
0
-3
-2
-1
Bild 12.30: Gauß-Verteilung
0 ( x - x ) /V
1
2
3
320
12 Strömungsmesstechnik
Bei der Berechnung des arithmetischen Mittelwerts ist es wichtig, dass die Messergebnisse zunächst überprüft und beurteilt werden. Bei jeder Messung treten so genannte "Ausreißer" auf. Diese können durch Schwankungen der Messbedingungen, der Messgeräte oder durch äußere Störungen verursacht sein. "Ausreißer" werden in der Fehlerrechnung nicht verwendet. Es ist aber stets zu begründen, warum sie weggelassen wurden. Bei vielen Messungen werden vom Beobachter oder vom Messgerät Mittelwerte bereits direkt abgelesen. Bei der Messung des Differenzdruckes mit einem U-Rohrmanometer kann z. B. die Flüssigkeitssäule schwanken. Der Beobachter wird versuchen, die mittlere Höhe der Flüssigkeitssäule anzugeben, weil er je nach Frequenz der Schwankungen nicht in der Lage ist, einzelne Messungen durchzuführen. In diesem Fall muss der Beobachter versuchen, die mittleren Schwankungen der Flüssigkeitssäule, also den mittleren Fehler, anhand seiner optischen Beobachtungen anzugeben. Nähme man die Flüssigkeitssäule mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf, könnten entsprechend der Fehlerrechnung der Mittelwert und der mittlere Fehler bestimmt werden. 12.8.2.3 Mittlerer Fehler des Mittelwerts Der mittlere Fehler des Mittelwerts ∆x, auch Vertrauensbereich genannt, bestimmt den Bereich, in dem der wahre Wert einer Größe mit der Wahrscheinlichkeit P innerhalb des Intervalls ± ∆x ermittelt wird. Er ist definiert als:
'x
ts n
1 n (n 1)
i n
¦ (x x )
2
(12.24)
i
i 1
Der Faktor t wird von der gewählten Wahrscheinlichkeit und Anzahl durchgeführter Messungen bestimmt. In Tabelle 12.1 sind die Werte für t angegeben. Tabelle 12.1: Faktor t in Abhängigkeit von P und n
P\n 3 0,68 1,32 0,95 4,30 0,99
4 1,20 3,20 4,60
5 1,15 2,80
6 1,11 2,60
8 1,08 2,40
10 1,06 2,30 3,20
20 1,03 2,10 2,90
30 1,02 2,05
50 1,01 2,00 2,70
100 1,00 1,97 2,60
300 1,00 1,96 2,58
Bei industriellen Abnahmemessungen wird ein Vertrauensbereich angestrebt, in dem der Messwert mit 95 % Wahrscheinlichkeit innerhalb der vorgegebenen Toleranzen dem wahren Wert entspricht. Bei Standard-Labormessungen sollten die Messungen mit 68,3 % Wahrscheinlichkeit innerhalb der Toleranzen liegen.
321
12 Strömungsmesstechnik
12.8.2.4 Fehlerfortpflanzung Die zu ermittelnde Größe y, die von n unabhängigen, unmittelbar ermittelten Messgrößen x1, x2,..., xn gemäß der Funktion y = f(x1, x2,..., xn) abhängt, wird durch Fehler einzelner Messgrößen verfälscht. Welche Verfälschungen sie verursachen, bestimmt Funktion f. Für den Fehler des Funktionswerts gilt: i n
§ wf · ¨ ¸ ¨ dx 'xi ¸ i ¹ 1 ©
2
¦
'f
i
(12.25)
Bei den unabhängig ermittelten Messgrößen xi werden die arithmetischen Mittelwerte, bei den Fehlern ∆xi die Mittelwerte der mittleren Fehler eingesetzt. Gleichung (12.25) berücksichtigt bereits, dass zufällige Fehler sowohl positiv als auch negativ sein können. Wichtig ist, darauf zu achten, dass bei mehrfachen funktionellen Zusammenhängen nicht der Fehler einzelner funktioneller Zusammenhänge zuerst bestimmt, sondern nach jeder der unabhängigen Variablen abgeleitet wird. Dies kann am Beispiel der Winkelbestimmung aus gemessenen Längen demonstriert werden. Der Winkel α eines räumlichen Vektors ist gegeben:
arccos(x / r ) mit r
D
x2 y2 z2
Die Länge r wird nicht direkt gemessen, sondern aus der Messung der Längen x, y und z bestimmt. Für die Fehlerfortpflanzung gilt: 2
'D
2
2
2
· § wD § wD · § wD · § wD · § wD · 'x ¸ ¨ 'r ¸ z ¨ 'x ¸ ¨¨ 'y ¸¸ ¨ 'z ¸ ¨ © dx ¹ © dr ¹ © dx ¹ © dy ¹ ¹ © dz
2
Der Fehler des Funktionswerts kann wiederum als absoluter Fehler ∆f oder als relativer Fehler ∆f / f angegeben werden. Für den Einfluss der Funktion auf den Fehler gelten folgende Regeln: Bei additiven Funktionen:
f
'f
a x1 b x2 c x3 ...
(a 'x1 ) 2 (b 'x2 ) 2 (c 'x3 ) 2 ...
(12.26)
Hier wird die Fehlerfortpflanzung von den Koeffizienten a, b und c wesentlich beeinflusst. Die Größen mit den größten Koeffizienten tragen stärker zur Fehlerbildung bei. Sie sind besonders genau zu messen. Bei multiplikativen Funktionen: f
a x1 x2 x3 ...
322
12 Strömungsmesstechnik
'f
a ( x2 x3 ... 'x1 ) 2 ( x1 x3 ... 'x2 ) 2 ( x1 x2 ... 'x3 ) 2 ...
'f f
2
2
2
§ 'x · § 'x · § 'x · a ¨¨ 1 ¸¸ ¨¨ 2 ¸¸ ¨¨ 3 ¸¸ ... © x1 ¹ © x2 ¹ © x3 ¹
(12.27)
Hier kann der relative Fehler der Funktion direkt aus den relativen Fehlern der einzelnen Größen bestimmt werden. Bei additiven Potenzfunktionen:
a x1p b x2q c x3r ...
f
'f
(a p x1p 1 'x1 ) 2 (b q x2q 1 'x2 ) 2 (c r x2r 1 'x3 ) 2 ... (12.28)
Hier wird der Fehler sowohl von den Koeffizienten a, b und c als auch von den Exponenten p, q und r und zusätzlich noch von der gemessenen Größe beeinflusst. Bei multiplikativen Potenzfunktionen:
f
'f
a x1p x2q x3r ...
a ( p x1p 1 x2q x3r ... 'x1 ) 2 (q x1p x2q 1 x3r ... 'x2 ) 2 ...
'f f
2
§ 'x · § 'x a ¨¨ p 1 ¸¸ ¨¨ q 2 x1 ¹ © x2 ©
2
2
· § 'x3 · ¸ ... ¸¸ ¨ r ¨ ¸ ¹ © x3 ¹
(12.29)
Die Größen mit den größeren Exponenten verursachen größere Fehler. Der relative Fehler der Messgröße wird um den Exponenten vergrößert. Bei anderen Funktionen müssen bei der Fehlerrechnung die Einflüsse auf den Fehler der Funktion entsprechend untersucht werden. Die Bestimmung des mittleren Fehlers des Funktionswerts erfolgt nach Gl. (12.24). Zur Bestimmung t muss jedoch in Tabelle 12.1 an Stelle der Anzahl Messungen für n der Wert Anzahl Messungen minus Anzahl unmittelbar gemessener Größen eingesetzt werden. 12.8.2.5 Der absolute Fehler Bei der Fehlerfortpflanzung wird berücksichtigt, dass zufällige Fehler nicht alle die gleichen Vorzeichen haben. Wird eine Funktionsgröße nicht aus Messreihen, sondern aus Einzelmessungen mit geschätzten Fehlern bestimmt, ist es durchaus möglich, dass die verschiedenen Größen alle oder zumindest zum größten Teil den Fehler der Funktion in gleicher Richtung beeinflussen. In solchen Fällen bestimmt man daher den absoluten Fehler der Messung.
323
12 Strömungsmesstechnik
i n
'f
wf
¦ wx i 1
' xi
(12.30)
i
Beim absoluten Fehler liegt der wahre Wert der Funktion innerhalb der Fehlergrenzen, sofern die Einzelmessungen auch innerhalb der geschätzten Fehlergrenzen liegen. Bei additiven Funktionen gilt:
f
a x1 b x2 c x3 ...
'f
a 'x1 b 'x2 c 'x3 ...
(12.31)
Hier wird die Fehlerfortpflanzung wesentlich von den Koeffizienten a, b und c beeinflusst. Die Größen mit den größten Koeffizienten tragen stärker zum Fehler bei. Sie sind besonders genau zu messen. Für den Einfluss der Funktion auf den Fehler können folgende Regeln angegeben werden: Bei multiplikativen Funktionen gilt:
f
a x1 x2 x3 ... 'f
a x2 x3 'x1 x1 x3 'x2 x1 x2 'x3 ... § 'x 'x2 'x3 ·¸ ... a ¨ 1 ¨ x x2 x3 ¸¹ © 1
'f f
(12.32)
Hier kann aus den relativen Fehlern der einzelnen Größen der relative Fehler der Funktion direkt bestimmt werden. Bei additiven Potenzfunktionen gilt:
f
'f
a x1p b x2q c x3r ...
a p x1p 1 'x1 b q x2q 1 'x2 c r x2r 1 'x3 ...
(12.33)
Hier wird der Fehler sowohl von den Koeffizienten a, b und c als auch von den Exponenten p, q und r und zusätzlich von der gemessenen Größe beeinflusst. Bei multiplikativen Potenzfunktionen gilt:
f
'f
a x1p x2q x3r ...
a p x1p 1 x 2q x3r 'x1 ... q x1p x2q 1 x3r 'x2 ... ...
'f f
§ 'x 'x 'x · a ¨ p 1 q 2 r 3 ...¸ ¨ x1 x2 x3 ¸¹ ©
(12.34)
Variable mit den größeren Exponenten verursachen größere Fehler. Der relative Fehler der Messgröße ist proportional zum Exponenten.
324 12.8.3
12 Strömungsmesstechnik
Angabe der Fehler
Zu jedem Messwert gehört eine Fehlerangabe. Der Messwert x wird mit dem Fehler folgendermaßen angegeben: x = x ± ∆x oder x = x ± (∆x/x) . 100 %. Bei der Fehlerangabe ist es nicht sinnvoll, die gemessene Größe und den Fehler mit unterschiedlichen Genauigkeiten anzugeben. Wird z. B. eine Größe mit 10 % Genauigkeit gemessen, ist es unsinnig, die Größe mit einer sehr hohen Genauigkeit anzugeben. Fehler rundet man auf höchstens zwei signifikante Stellen. Das Ergebnis wird einschließlich der fehlerbehafteten Stelle gerundet. Nachstehende Beispiele zeigen die richtigen Fehlerangaben. x = 2,782 ± 0,004 m oder x = 2,782 m ± 0,14 % x = 2,8 ± 0,004 m oder x = 2,8 m ± 0,14 % x = 2,782 ± 0,004103 m oder x = 2,782 m ± 0,14378 %
richtig falsch falsch
x = 2,8 ± 0,4 m oder x = 2,8 m ± 14 % x = 2,782 ± 0,4 m oder x = 2,782 m ± 14,29 % x = 2,8 ± 0,4103 m oder x = 2,8 m ± 14,286 %
richtig falsch falsch
BEISPIEL 12.7: Fehlerrechnung für das Beispiel 12.5 Bei der durchgeführten Blendenmessung wurde ein digitales Differenzdruckmessgerät mit 200 mbar Messbereich verwendet, dessen Genauigkeit mit 1 % vom Endwert ± 1 Digit angegeben ist. Das Thermometer hatte ± 1 K Genauigkeit. Die Ablesegenauigkeit des Barometers für den Absolutdruck betrug 0,1 mm. Der Durchmesser des Rohrs und der Blende konnten jeweils mit 0,1 mm Genauigkeit bestimmt werden. Berechnen Sie den Fehler bei der Bestimmung der Volumenstromes, wenn die Fehler der Durchfluss- und Expansionszahl vernachlässigt werden können. Lösung Annahmen • •
Fehler in der Durchfluss- und Expansionszahl können vernachlässigt werden. Die Zu- und Ablaufstrecken entsprechen EN ISO 5167-1. Analyse
Der Volumenstrom wird mit Gl. (12.16) bestimmt. Setzt man dort die direkt gemessenen Größen ein, erhält man:
325
12 Strömungsmesstechnik
V
D H Ad 2 'p / U1
D H
S 4
d 2 2
'p R T1 pU 'pU
Nach Gl. (12.25) ist der Fehler in der Volumenstrommessung:
'V D H
S 4
2 2 2 § wV · § wV · § wV · ¨ ¸ ¨ ¸ ¨ ¸ ¨ wd 'd ¸ ¨ w'p ''p ¸ ¨ wT 'T ¸ © ¹ © ¹ © ¹
2 2 § wV · § wV · ¨ ¸ ¨ ¸ ¨ 'pU ¸ ¨ ''pU ¸ © wpU ¹ © w'pU ¹
Der Übersichtlichkeit halber ist es günstiger, hier die partiellen Ableitungen separat auszuführen und die relativen Fehler anzugeben.
'd wV V
D H S
wd
''p wV V w'p 'T1 wV V
V
''pU V
wpU
4 V
4 V
'pU wV
D H S d 2
D HS d 2
wT1
2
8 V
2
D H S d 2 8 V
2
2
'd d
2 'p R T1 ''p pU 'pU 'p
2 'p R T1 'T1 pU 'pU T1
D H S d 2
wV w'pU
2 'p R T1 'd pU 'pU
2d
4 V
2
1 ''p 2 'p
1 'T1 2 'T1
'pU 'p R T1 pU 'pU pU 'pU ''pU 'p R T1 pU 'pU pU 'pU
2 0,1 mm 30 mm
0,006 6
0,0118
1K 2 300 K
0,00167
'pU 1 2 pU 'pU
0,00007
1 ''pU 2 pU 'pU
0,00139
Für den relativen Fehler der Volumenstrommessung erhalten wir damit:
'V V
10 3 44,4 139,5 2,78 0,005 2,10
0,0139
Der errechnete Volumenstrom von 0,289 m3/s muss also folgendermaßen angegeben werden: 0,079 ± 0,003 m3/s oder 0,289 m3/s ± 1,2 %
326
12 Strömungsmesstechnik
Diskussion Betrachtet man die Berechnung der relativen Fehler, ist sofort ersichtlich, dass der Fehler der Differenzdruckmessung den hauptsächlichen Anteil am gesamten Fehler hat. Er beträgt dort ± 3 mbar oder relativ betrachtet 2,36 %. Da der Volumenstrom proportional zur Wurzel des Differenzdruckes ist, wird der durch ihn verursachte Relativfehler im Volumenstrom 0,0118. Er ist fast so groß wie der Gesamtfehler von 0,0120. Man erspart sich viel Rechenarbeit, wenn Größen, deren Fehler sehr klein sind, unberücksichtigt bleiben. In unserem Beispiel könnten alle Fehler außer dem des Differenzdruckes vernachlässigt werden. Die Fehlerangabe lautete dann immer noch ± 0,003 m3/s oder ± 1,2 %.
Anhang A1: Normatmosphäre Höhe m
Druck Pa
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1'000 1'100 1'200 1'300 1'400 1'500 1'600 1'700 1'800 1'900 2'000 2'100 2'200 2'300 2'400 2'500 2'600 2'700 2'800 2'900 3'000 3'100 3'200 3'300 3'400 3'500 3'600 3'700 3'800 3'900 4'000 4'100 4'200 4'300 4'400 4'500 4'600 4'700 4'800 4'900 5'000 5'100 5'200 5'300 5'400 5'500
101'325 100'129 98'944 97'771 96'609 95'458 94'318 93'190 92'072 90'965 89'869 88'784 87'709 86'645 85'591 84'548 83'515 82'493 81'480 80'478 79'485 78'503 77'530 76'567 75'614 74'671 73'737 72'812 71'897 70'992 70'095 69'208 68'330 67'461 66'601 65'749 64'907 64'073 63'248 62'432 61'624 60'825 60'034 59'252 58'478 57'711 56'954 56'204 55'462 54'728 54'002 53'284 52'574 51'871 51'176 50'489
Temperatur Dichte °C kg/m3 15,0 14,4 13,7 13,1 12,4 11,8 11,1 10,5 9,8 9,2 8,5 7,9 7,2 6,6 5,9 5,3 4,6 4,0 3,3 2,7 2,0 1,4 0,7 0,1 -0,6 -1,3 -1,9 -2,6 -3,2 -3,9 -4,5 -5,2 -5,8 -6,5 -7,1 -7,8 -8,4 -9,1 -9,7 -10,4 -11,0 -11,7 -12,3 -13,0 -13,6 -14,3 -14,9 -15,6 -16,2 -16,9 -17,5 -18,2 -18,8 -19,5 -20,1 -20,8
1,225 1,213 1,202 1,190 1,179 1,167 1,156 1,145 1,134 1,123 1,112 1,101 1,090 1,079 1,069 1,058 1,047 1,037 1,027 1,017 1,006 0,996 0,986 0,976 0,966 0,957 0,947 0,937 0,928 0,918 0,909 0,900 0,890 0,881 0,872 0,863 0,854 0,845 0,836 0,828 0,819 0,810 0,802 0,793 0,785 0,777 0,768 0,760 0,752 0,744 0,736 0,728 0,720 0,712 0,705 0,697
Höhe m
Druck Pa
5'600 5'700 5'800 5'900 6'000 6'100 6'200 6'300 6'400 6'500 6'600 6'700 6'800 6'900 7'000 7'100 7'200 7'300 7'400 7'500 7'600 7'700 7'800 7'900 8'000 8'100 8'200 8'300 8'400 8'500 8'600 8'700 8'800 8'900 9'000 9'100 9'200 9'300 9'400 9'500 9'600 9'700 9'800 9'900 10'000 10'100 10'200 10'300 10'400 10'500 10'600 10'700 10'800 10'900 11'000
49'809 49'136 48'471 47'813 47'162 46'519 45'883 45'253 44'631 44'016 43'407 42'806 42'211 41'623 41'042 40'467 39'898 39'337 38'781 38'232 37'689 37'153 36'623 36'099 35'581 35'069 34'563 34'062 33'568 33'080 32'597 32'120 31'649 31'184 30'723 30'269 29'820 29'376 28'938 28'505 28'077 27'655 27'237 26'825 26'418 26'016 25'619 25'226 24'839 24'456 24'079 23'706 23'337 22'974 22'614
Temperatur Dichte °C kg/m3 -21,4 -22,1 -22,7 -23,4 -24 -24,7 -25,3 -26 -26,6 -27,3 -27,9 -28,6 -29,2 -29,9 -30,5 -31,2 -31,8 -32,5 -33,1 -33,8 -34,4 -35,1 -35,7 -36,4 -37 -37,7 -38,3 -39 -39,6 -40,3 -40,9 -41,6 -42,2 -42,9 -43,5 -44,2 -44,8 -45,5 -46,1 -46,8 -47,4 -48,1 -48,7 -49,4 -50 -50,7 -51,3 -52 -52,6 -53,3 -53,9 -54,6 -55,2 -55,9 -56,5
0,689 0,682 0,674 0,667 0,659 0,652 0,645 0,638 0,631 0,624 0,617 0,61 0,603 0,596 0,589 0,583 0,576 0,569 0,563 0,556 0,55 0,544 0,537 0,531 0,525 0,519 0,513 0,507 0,501 0,495 0,489 0,483 0,477 0,472 0,466 0,46 0,455 0,449 0,444 0,439 0,433 0,428 0,423 0,418 0,412 0,407 0,402 0,397 0,392 0,387 0,383 0,378 0,373 0,368 0,364
330
Anhang
A2: Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Dynamische Viskosität ϑ\p °C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500
1 1'791,53 1'305,88 1'001,61 797,35 652,98 546,85 466,40 403,90 354,36 314,41 12,27 12,64 13,02 13,41 13,79 14,18 14,58 14,97 15,37 15,77 16,18 16,58 16,99 17,40 17,81 18,22 18,63 19,05 19,46 19,88 20,29 20,71 21,12 21,54 21,95 22,37 22,79 23,20 23,62 24,04 24,45 24,87 25,28 25,69 26,11 26,52 26,93 27,35 27,76 28,17 28,58
10 1'789,28 1'304,90 1'001,22 797,26 653,05 547,01 466,60 404,12 354,59 314,65 281,99 254,93 232,26 213,08 196,70 182,59 170,34 159,61 15,03 15,46 15,89 16,33 16,76 17,19 17,62 18,05 18,47 18,90 19,33 19,76 20,19 20,61 21,04 21,46 21,89 22,31 22,74 23,16 23,58 24,00 24,42 24,84 25,26 25,68 26,10 26,52 26,93 27,35 27,76 28,17 28,59
50 100 106 . η in kg/(m . s) 1'779,51 1'767,90 1'300,68 1'295,69 999,59 997,70 796,92 796,59 653,39 653,87 547,71 548,63 467,50 468,65 405,13 406,39 355,64 356,96 315,72 317,06 283,06 284,39 255,99 257,31 233,31 234,62 214,12 215,41 197,73 199,00 183,60 184,86 171,34 172,58 160,60 161,83 151,13 152,35 142,71 143,94 135,18 136,41 128,39 129,63 122,21 123,47 116,54 117,83 111,30 112,62 106,40 107,78 101,77 103,21 18,34 98,87 18,83 94,68 19,32 90,57 19,80 86,46 82,23 20,27 20,74 20,70 21,21 21,19 21,67 21,67 22,13 22,15 22,58 22,63 23,03 23,10 23,48 23,56 23,93 24,03 24,37 24,49 24,81 24,94 25,25 25,40 25,68 25,85 26,12 26,29 26,55 26,74 26,98 27,18 27,41 27,61 27,83 28,05 28,26 28,48 28,68 28,91
Kursive Werte für die Dampfphase, Quelle: [1.3]
200
500 bar
1'746,57 1'286,64 994,42 796,20 655,00 550,56 471,01 408,96 359,62 319,74 287,06 259,95 237,22 217,96 201,51 187,33 175,02 164,25 154,76 146,33 138,81 132,04 125,90 120,31 115,16 110,39 105,93 101,72 97,71 93,84 90,05 86,29 82,47 78,50 74,22 69,31 62,81 26,32 25,78 25,82 26,03 26,33 26,67 27,04 27,42 27,81 28,21 28,62 29,03 29,44 29,85
1'696,53 1'266,44 988,36 797,24 659,71 557,18 478,57 416,96 367,76 327,86 295,08 267,81 244,91 225,49 208,88 194,55 182,11 171,24 161,66 153,17 145,61 138,82 132,70 127,15 122,08 117,42 113,12 109,12 105,37 101,84 98,48 95,26 92,16 89,14 86,17 83,24 80,30 77,33 74,30 71,20 67,98 64,64 61,15 57,55 53,94 50,48 47,41 44,89 42,95 41,52 40,50
331
Anhang
A3: Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Dichte ϑ\p °C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500
1
10
999,8 999,7 998,2 995,7 992,2 988,0 983,2 977,8 971,8 965,3 0,590 0,573 0,558 0,543 0,529 0,516 0,504 0,492 0,481 0,470 0,460 0,451 0,441 0,432 0,424 0,416 0,408 0,400 0,393 0,386 0,379 0,372 0,366 0,360 0,354 0,348 0,343 0,337 0,332 0,327 0,322 0,318 0,313 0,308 0,304 0,300 0,296 0,292 0,288 0,284 0,280
1'000,3 1'000,1 998,6 996,1 992,6 988,4 983,6 978,2 972,2 965,7 958,8 951,4 943,5 935,2 926,5 917,3 907,7 897,6 5,144 4,992 4,854 4,727 4,609 4,498 4,395 4,297 4,204 4,116 4,032 3,953 3,876 3,803 3,733 3,666 3,602 3,540 3,480 3,423 3,367 3,313 3,262 3,211 3,163 3,116 3,070 3,026 2,983 2,942 2,901 2,862 2,824
50 ρ in kg/m3 1'002,3 1'002,0 1'000,4 997,8 994,4 990,2 985,3 979,9 974,0 967,5 960,6 953,3 945,5 937,3 928,6 919,6 910,0 900,1 889,7 878,7 867,3 855,2 842,6 829,2 815,1 800,1 784,0 24,650 23,655 22,802 22,052 21,383 20,777 20,223 19,714 19,241 18,801 18,389 18,001 17,635 17,289 16,960 16,648 16,349 16,064 15,792 15,530 15,279 15,037 14,805 14,581
100
200
500 bar
1'004,8 1'004,4 1'002,7 1'000,0 996,5 992,3 987,5 982,1 976,2 969,8 962,9 955,6 947,9 939,8 931,3 922,3 912,9 903,1 892,9 882,2 870,9 859,2 846,8 833,9 820,2 805,7 790,3 773,8 756,1 736,7 715,3 691,0 51,89 48,91 46,53 44,56 42,87 41,39 40,08 38,90 37,82 36,84 35,93 35,09 34,31 33,57 32,88 32,23 31,62 31,03 30,48
1'009,7 1'009,0 1'007,1 1'004,3 1'000,8 996,5 991,7 986,3 980,5 974,2 967,4 960,3 952,7 944,8 936,4 927,7 918,6 909,1 899,1 888,8 878,0 866,7 854,9 842,6 829,7 816,1 801,8 786,6 770,5 753,3 734,7 714,5 692,1 666,8 637,2 600,6 548,0 144,4 121,1 108,8 100,5 94,27 89,29 85,17 81,66 78,62 75,93 73,53 71,37 69,40 67,60
1'023,8 1'022,3 1'019,9 1'016,8 1'013,0 1'008,7 1'003,9 998,6 992,9 986,8 980,3 973,4 966,2 958,7 950,9 942,7 934,2 925,4 916,3 906,8 897,0 886,8 876,3 865,4 854,1 842,4 830,2 817,6 804,5 790,8 776,5 761,5 745,8 729,2 711,8 693,3 673,5 652,3 629,5 604,8 577,7 548,0 515,4 479,6 441,3 402,0 364,3 330,4 301,3 277,1 257,1
Kursive Werte für die Dampfphase, Quelle [1.3]
332
Anhang
A4: Stoffwerte Wasser/Wasserdampf: Schallgeschwindigkeit ϑ\p °C 0 1'0 20 30 40 50 60 70 80 90 1'00 1'10 1'20 1'30 1'40 1'50 1'60 1'70 1'80 1'90 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500
1'
1'0
1'402,4 1'447,6 1'483,4 1'511,0 1'531,3 1'545,3 1'553,9 1'557,6 1'557,1 1'552,8 472,3 479,3 485,9 492,3 498,6 504,7 510,7 516,6 522,4 528,1 533,7 539,2 544,6 550,0 555,3 560,5 565,6 570,7 575,8 580,7 585,7 590,5 595,4 600,1 604,8 609,5 614,1 618,7 623,2 627,7 632,2 636,6 641,0 645,3 649,6 653,9 658,1 662,3 666,4 670,5 674,6
1'403,8 1'449,0 1'484,8 1'512,4 1'532,8 1'546,8 1'555,4 1'559,2 1'558,7 1'554,5 1'546,9 1'536,3 1'522,8 1'506,8 1'488,3 1'467,4 1'444,3 1'418,9 501,0 509,7 517,3 524,4 531,2 537,7 544,0 550,1 556,1 561,9 567,5 573,1 578,5 583,8 589,1 594,2 599,3 604,3 609,2 614,1 618,9 623,6 628,3 632,9 637,5 642,0 646,5 650,9 655,3 659,6 663,9 668,1 672,3
50 a in m/s 1'410,2 1'455,3 1'491,2 1'518,8 1'539,2 1'553,5 1'562,3 1'566,3 1'566,2 1'562,3 1'555,1 1'544,8 1'531,8 1'516,3 1'498,4 1'478,1 1'455,7 1'431,1 1'404,3 1'375,4 1'344,3 1'311,0 1'275,4 1'237,5 1'197,1 1'153,9 1'107,7 506,9 518,9 529,4 538,8 547,6 555,8 563,6 570,9 578,0 584,8 591,3 597,6 603,6 609,6 615,3 620,9 626,4 631,7 637,0 642,1 647,2 652,1 657,0 661,8
1'00
200
500 bar
1'418,2 1'463,3 1'499,2 1'526,8 1'547,4 1'561,8 1'570,8 1'575,2 1'575,4 1'571,9 1'565,1 1'555,4 1'543,0 1'528,0 1'510,7 1'491,2 1'469,6 1'445,8 1'420,1 1'392,2 1'362,3 1'330,3 1'296,1 1'259,8 1'221,1 1'180,0 1'136,3 1'089,4 1'038,9 983,8 922,8 854,9 491,7 508,2 522,2 534,5 545,5 555,6 565,0 573,8 582,0 589,9 597,3 604,4 611,3 617,9 624,2 630,4 636,4 642,2 647,9
1'434,5 1'479,6 1'515,3 1'543,0 1'563,7 1'578,4 1'587,9 1'592,9 1'593,7 1'591,0 1'585,0 1'576,2 1'564,7 1'550,8 1'534,7 1'516,5 1'496,2 1'474,0 1'450,0 1'424,0 1'396,2 1'366,4 1'334,8 1'301,2 1'265,7 1'228,1 1'188,5 1'146,5 1'102,1 1'054,8 1'004,3 949,8 890,3 824,4 751,1 665,0 542,7 421,1 461,3 487,1 507,3 524,2 538,7 551,7 563,4 574,1 584,1 593,5 602,3 610,6 618,6
1'485,9 1'530,0 1'564,9 1'592,3 1'613,3 1'628,7 1'639,3 1'645,6 1'648,1 1'647,2 1'643,2 1'636,5 1'627,4 1'616,0 1'602,5 1'587,2 1'570,1 1'551,4 1'531,0 1'509,1 1'485,8 1'460,9 1'434,7 1'407,0 1'378,0 1'347,7 1'316,0 1'283,1 1'249,0 1'213,7 1'177,3 1'139,9 1'101,5 1'062,1 1'021,7 980,1 936,0 891,8 846,8 801,1 755,1 709,7 666,1 626,5 593,6 570,0 556,7 552,5 554,8 560,9 568,9
Kursive Werte für die Dampfphase, Quelle: [1.3]
333
Anhang
A5: Stoffwerte des Wassers bei 1 bar Druck Temperatur ps °C bar 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
0,0061 0,0087 0,0123 0,0171 0,0234 0,0317 0,0425 0,0563 0,0738 0,0959 0,1235 0,1576 0,1995 0,2504 0,3120 0,3860 0,4741 0,5787 0,7018 0,8461 1,0142
Quelle: [1.3]
cp Dichte J/(kg K) kg/m3 4,219 4,205 4,195 4,189 4,184 4,182 4,180 4,179 4,178 4,179 4,179 4,181 4,183 4,185 4,188 4,191 4,195 4,200 4,205 4,210 4,216
999,89 1'000,02 999,75 999,15 998,25 997,09 995,70 994,08 992,27 990,27 988,09 985,75 983,25 980,61 977,82 974,90 971,85 968,67 965,36 961,94 958,40
dyn.Viskosität kin.Viskosität η . 106 kg/(m . s) ν . 106 m2/s 1'791,28 1'517,96 1'305,77 1'137,48 1'001,56 890,06 797,34 719,32 652,99 596,08 546,87 504,00 466,43 433,29 403,93 377,77 354,38 333,37 314,44 297,31 281,77
1,791 1,518 1,306 1,138 1,003 0,893 0,801 0,724 0,658 0,602 0,553 0,511 0,474 0,442 0,413 0,387 0,365 0,344 0,326 0,309 0,294
334
Anhang
A6: Dichte der Flüssigkeiten bei 1 bar Druck 1'800 kg/m 3 1'700
Tet rach lor
1'600 sch we flig
1'500 Schw efelk
1'400
eS
koh le
nsto ff
äur e
ohlen stoff
1'300
Ameis
1'200
Dichte U
1'000
Aceto
n
Toluo
äure
l
Äthylalko hol
800 Am m o
n-Butan Propa
600
Essig s
Anilin
Benzol
Äther
700
re
Phenol
1'100
900
ensäu
niak
n
Äthan
500 400 300 200 100 0
-100
-80
Quelle [1.10]
-60
-40
-20
0
20 40 Temperatur -
60
80
100
120
140 °C 160
335
Anhang
A7: Kinematische Viskosität der Flüssigkeiten bei 1 bar Druck 10
-3
2
m /s
Chlor-Kohlenwasserstoffe Hydrauliköle
10
-4
kinematische Viskosität
Silikon
Äthylalkohol 10
-5
10
-6
Benzin n-Oktan n-Heptan n-Hexan n-Pentan
Naphthalin
Benzol
10
-7
Quelle [2.1]
-50
0
50 Temperatur
100
-
150
°C
200
m /s
2
8
6
5
4
3
2
8
6
5
4
150
°C
130
120
110
100
90 -
70 80 Temperatur
60
50
40
30
20
10
0
4
öl G as
3
l rö de lin fzy mp da ss ren Na oto elm es Di l für rö l öl ik r de bö ier fab lin Rü hm er zy Sc ck pf m Zu r da iß ine öl to r He ee s ma las fo r ns öl Me us Tra zin öl öl Ri en be hin trie sc Ge Ma res l ttle l l böl mi nö er ö e trei t elö ne sel l en ind rbi Die oh Sp Tu nk au Br
-5
10
-3
10
-4
10
kinematische Viskosität Q
Anhang
336
A8: Kinematische Viskosität der Öle bei 1 bar Druck
2
2
8
6
5
337
Anhang
B1: Temperaturtabellen für Thermoelemente EisenKonstantan
Chromel-Alumel-Thermoelemente Temperatur Spannung °C mV -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330
-5,60 -5,43 -5,24 -5,03 -4,81 -4,58 -4,32 -4,06 -3,78 -3,49 -3,19 -2,87 -2,54 -2,20 -1,86 -1,50 -1,14 -0,77 -0,39 0,00 0,40 0,80 1,20 1,61 2,02 2,43 2,85 3,26 3,68 4,10 4,51 4,92 5,33 5,73 6,13 6,53 6,93 7,33 7,73 8,13 8,54 8,94 9,34 9,75 10,16 10,57 10,98 11,39 11,80 12,21 12,63 13,04 13,46
Temperatur Spannung °C mV 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850
13,88 14,29 14,71 15,13 15,55 15,98 16,40 16,82 17,24 17,67 18,09 18,51 18,94 19,36 19,79 20,22 20,65 21,07 21,50 21,92 22,35 22,78 23,20 23,63 24,06 24,49 24,91 25,34 25,76 26,19 26,61 27,03 27,45 27,87 28,29 28,72 29,14 29,56 29,97 30,39 30,81 31,23 31,65 32,06 32,48 32,89 33,30 33,71 34,12 34,53 34,93 35,34
Temperatur Spannung °C mV 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 960 970 980 990 1'000 1'010 1'020 1'030 1'040 1'050 1'060 1'070 1'080 1'090 1'100 1'110 1'120 1'130 1'140 1'150 1'160 1'170 1'180 1'190 1'200 1'210 1'220 1'230 1'240 1'250 1'260 1'270 1'280 1'290 1'300 1'310 1'320 1'330 1'340 1'350 1'360 1'370
35,75 36,15 36,55 36,96 37,36 37,76 38,16 38,56 38,95 39,35 39,75 40,14 40,53 40,92 41,31 41,70 42,09 42,48 42,87 43,25 43,63 44,02 44,40 44,78 45,16 45,54 45,92 46,29 46,67 47,04 47,41 47,78 48,15 48,52 48,89 49,25 49,62 49,98 50,34 50,69 51,05 51,41 51,76 52,11 52,46 52,81 53,16 53,51 53,85 54,20 54,54 54,88
Temperatur Spannung °C mV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500
0,000 0,540 1,050 1,580 2,110 2,650 3,190 3,730 4,270 4,820 5,370 5,920 6,470 7,030 7,590 8,150 8,710 9,270 9,830 10,390 10,950 11,510 12,070 12,630 13,190 13,750 14,310 14,880 15,440 16,000 16,560 17,120 17,680 18,240 18,800 19,360 19,920 20,480 21,040 21,600 22,160 22,720 23,290 23,860 24,430 25,000 25,570 26,140 26,710 27,280 27,850
338
Anhang
B2: Durchflusszahlen für Normdüsen α = f (m2, Re) nach EN ISO 5167-1 Re m 0,1000 0,1414 0,1732 0,2000 0,2236 0,2449 0,2646 0,2828 0,3000
m2 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
2 . 104
2,5 . 104
3 . 104
0,9798 0,9822 0,9849 0,9876 0,9907 0,9939
0,9849 0,9871 0,9895 0,9921 0,9951 0,9982
0,9883 0,9906 0,9930 0,9956 0,9984 1,0014
0,3162 0,3317 0,3464 0,3606 0,3742 0,3873 0,4000 0,4123 0,4243 0,4359
0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19
0,9973 1,0009 1,0048 1,0088 1,0129 1,0173 1,0219 1,0266 1,0315 1,0366
1,0015 1,0050 1,0086 1,0123 1,0163 1,0206 1,0251 1,0297 1,0344 1,0393
0,4472 0,4583 0,4690 0,4796 0,4899 0,5000 0,5099 0,5196 0,5292 0,5385
0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29
1,0418 1,0472 1,0528 1,0586 1,0645 1,0706 1,0769 1,0833 1,0899 1,0966
0,5477 0,5668 0,5657 0,5745 0,5831 0,5916 0,6000 0,6083 0,6164 0,6245
0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39
0,6325 0,6403
0,40 0,41
4 . 104
5 . 104
7 . 104
105
2 . 105
2 . 106
0,9926 0,9951 0,9976 1,0002 1,0031 1,0060
0,9951 0,9977 1,0005 1,0033 1,0063 1,0093
0,9892 0,9917 0,9945 0,9973 1,0002 1,0033 1,0064 1,0096 1,0128
0,9895 0,9924 0,9954 0,9984 1,0015 1,0047 1,0080 1,0113 1,0147
0,9895 0,9927 0,9959 0,9992 1,0026 1,0059 1,0093 1,0128 1,0163
0,9896 0,9928 0,9960 0,9994 1,0027 1,0061 1,0095 1,0130 1,0166
1,0046 1,0080 1,0116 1,0153 1,0192 1,0234 1,0276 1,0321 1,0367 1,0415
1,0092 1,0126 1,0160 1,0197 1,0235 1,0274 1,0316 1,0358 1,0402 1,0447
1,0125 1,0159 1,0194 1,0230 1,0267 1,0305 1,0345 1,0386 1,0428 1,0472
1,0162 1,0196 1,0230 1,0266 1,0303 1,0341 1,0380 1,0420 1,0461 1,0503
1,0182 1,0217 1,0253 1,0290 1,0328 1,0366 1,0405 1,0445 1,0486 1,0527
1,0199 1,0235 1,0272 1,0309 1,0347 1,0385 1,0424 1,0463 1,0504 1,0545
1,0202 1,0238 1,0275 1,0312 1,0350 1,0388 1,0427 1,0467 1,0507 1,0547
1,0444 1,0496 1,0550 1,0606 1,0662 1,0721 1,0782 1,0844 1,0908 1,0972
1,0464 1,0515 1,0567 1,0621 1,0677 1,0734 1,0792 1,0853 1,0914 1,0976
1,0494 1,0543 1,0593 1,0644 1,0697 1,0751 1,0806 1,0864 1,0923 1,0982
1,0517 1,0563 1,0611 1,0660 1,0710 1,0763 1,0816 1,0871 1,0928 1,0985
1,0546 1,0590 1,0636 1,0682 1,0730 1,0779 1,0830 1,0881 1,0934 1,0989
1,0569 1,0612 1,0656 1,0701 1,0746 1,0793 1,0841 1,0890 1,0941 1,0993
1,0586 1,0628 1,0671 1,0715 1,0760 1,0805 1,0852 1,0899 1,0948 1,0998
1,0589 1,0631 1,0674 1,0718 1,0762 1,0807 1,0854 1,0901 1,0949 1,0999
1,1035 1,1106 1,1179 1,1253 1,1329 1,1407 1,1486 1,1567 1,1650 1,1734
1,1037 1,1106 1,1176 1,1246 1,1320 1,1394 1,1470 1,1548 1,1627 1,1709
1,1039 1,1105 1,1173 1,1241 1,1312 1,1384 1,1457 1,1532 1,1609 1,1688
1,1042 1,1104 1,1168 1,1233 1,1300 1,1368 1,1438 1,1510 1,1583 1,1658
1,1043 1,1102 1,1164 1,1225 1,1290 1,1355 1,1423 1,1493 1,1564 1,1636
1,1045 1,1101 1,1159 1,1218 1,1279 1,1341 1,1406 1,1472 1,1540 1,1609
1,1046 1,1101 1,1156 1,1214 1,1272 1,1332 1,1394 1,1457 1,1523 1,1590
1,1049 1,1101 1,1155 1,1209 1,1266 1,1324 1,1383 1,1445 1,1508 1,1573
1,1049 1,1101 1,1154 1,1208 1,1264 1,1321 1,1379 1,1439 1,1501 1,1565
1,1821 1,1909
1,1793 1,1877
1,1768 1,1851
1,1735 1,1813
1,1711 1,1788
1,1680 1,1754
1,1660 1,1732
1,1641 1,1710
1,1630 1,1698
Gültig für glatte Rohre mit Durchmessern D von 50 bis 500 mm. Zwischen den angegebenen Werten von m2 (nicht von m) und von Re kann linear interpoliert werden. Die Angabe von vier Dezimalen entspricht nicht der Unsicherheit, mit der die Zahlenwerte behaftet sind.
339
Anhang
B3: Expansionszahlen für Normdüsen ε = f (m2, p2/p1, k) nach EN ISO 5167-1 p2/p1
1,0
m
m2
0 0,3162 0,4472 0,5477 0,6326 0,6403
0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,85
0,80
0,75
0,936 0,9278 0,9178 0,9053 0,8896 0,8877
0,9029 0,8913 0,8773 0,8602 0,8390 0,8366
0,8689 0,8543 0,8371 0,8163 0,7909 0,7881
0,8340 0,8169 0,7970 0,7733 0,7448 0,7416
0,9408 0,9331 0,9237 0,9120 0,8971 0,8954
0,9100 0,8990 0,8859 0,8697 0,8495 0,8472
0,8783 0,8645 0,8481 0,8283 0,8039 0,8012
0,8457 0,8294 0,8102 0,7875 0,7599 0,7569
0,9449 0,9377 0,9288 0,9178 0,9038 0,9021
0,9162 0,9068 0,8933 0,8780 0,8588 0,8566
0,8865 0,8733 0,8577 0,8388 0,8154 0,8127
0,8558 0,8402 0,8219 0,8000 0,7733 0,7704
0,9533 0,9470 0,9394 0,9299 0,9176 0,9161
0,9288 0,9197 0,9088 0,8953 0,8782 0,8762
0,9033 0,8917 0,8778 0,8609 0,8397 0,8373
0,8768 0,8629 0,8464 0,8235 0,8020 0,7993
ε für κ = 1,2 1,0 1,0 1,0 1,0 1.0 1,0
0,9874 0,9856 0,9834 0,9805 0,9767 0,9763
0,9748 0,9712 0,9669 0,9613 0,9541 0,9532
0,9620 0,9568 0,9504 0,9424 0,9320 0,9308
0,9491 0,9423 0,9341 0,9238 0,9105 0,9090
ε für κ = 1,3 0 0,3162 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9884 0,9867 0,9846 0,9820 0,9785 0,9781
0,9767 0,9734 0,9693 0,9642 0,9575 0,9567
0,9649 0,9600 0,9541 0,9466 0,9369 0,9358
0,9529 0,9466 0,9389 0,9292 0,9168 0,9154
ε für κ = 1,4 0 0,3162 0,4472 0.5477 0,6325 0,6403
0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9892 0,9877 0,9857 0,9833 0,9800 0,9796
0,9783 0,9753 0,9715 0,9667 0,9604 0,9596
0,9673 0,9628 0,9573 0,9503 0,9412 0,9401
0,9562 0,9503 0,9430 0,9340 0,9223 0,9209
ε für κ = 1,6 0 0,3102 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9909 0,9896 0,9879 0,9858 0,9831 0,9827
0,9817 0,9791 0,9769 0,9718 0,9664 0,9657
0,9724 0,9685 0,9637 0,9577 0,9499 0,9490
0,9629 0,9578 0,9516 0,9438 0,9336 0,9324
Gültig für beliebige Gase und Dämpfe. Die Zahlenwerte für m = 0 und p2/p1 = 1 sind nur aufgeführt, um die Interpolation von Werten für m < 0,1 bzw. p1 zu ermöglichen.
340
Anhang
B4: Durchflusszahlen für Normblenden α = f (m2, Re) nach EN ISO 5167-1 m
Re m2
5 . 103
104
2 . 104
3 . 104 5 . 104
105
106
2 . 107
0,0500 0,0548 0,0632 0,0707
0,0025 0,003 0,004 0,005
0,6024 0,6032 0,6045 0,6058
0,6005 0,6011 0,6022 0,6031
0,5993 0,5998 0,6007 0,6015
0,5989 0,5993 0,6001 0,6008
0,5985 0,5988 0,5995 0,6002
0,5981 0,5985 0,5991 0,5997
0,5978 0,5981 0,5986 0,5992
0,5977 0,5980 0,5986 0,5991
0,1000 0,1414 0,1732 0,2000 0,2236 0,2449 0,2646 0,2828 0,3000 0,3162
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10
0,6110 0,6194 0,6268 0,6335 0,6399
0,6073 0,6142 0,6203 0,6260 0,6315 0,6370 0,6422 0,6474 0,6526 0,6577
0,6050 0,6108 0,6161 0,6212 0,6260 0,6308 0,6355 0,6403 0,6450 0,6497
0,6039 0,6094 0,6143 0,6190 0,6236 0,6281 0,6327 0,6371 0,6415 0,6459
0,6031 0,6081 0,6129 0,6173 0,6217 0,6260 0,6302 0,6343 0,6385 0,6425
0,6025 0,6073 0,6117 0,6160 0,6202 0,6245 0,6284 0,6324 0,6362 0,6401
0,6018 0,6062 0,6105 0,6146 0,6186 0,6226 0,6265 0,6303 0,6341 0,6378
0,6016 0,6061 0,6103 0,6144 0,6184 0,6223 0,6262 0,6300 0,6338 0,6375
0,3317 0,3464 0,3606 0,3742 0,3873 0,4000 0,4123 0,4243 0,4359 0,4472
0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20
0,6630 0,6682 0,6734 0,6786 0,6839 0,6890 0,6943 0,6995 0,7047 0,7099
0,6542 0,6588 0,6633 0,6679 0,6724 0,6769 0,6815 0,6861 0,6908 0,6954
0,6500 0,6544 0,6587 0,6629 0,6672 0,6715 0,6759 0,6802 0,6846 0,6890
0,6465 0,6507 0,6547 0,6587 0,6627 0,6667 0,6708 0,6749 0,6791 0,6832
0,6439 0,6478 0,6516 0,6555 0,6594 0,6633 0,6671 0,6711 0,6751 0,6791
0,6415 0,6452 0,6489 0,6526 0,6563 0,6600 0,6638 0,6675 0,6713 0,6751
0,6412 0,6449 0,6486 0,6522 0,6559 0,6596 0,6633 0,6670 0,6708 0,6746
0,4583 0,4690 0,4796 0,4899 0,5000 0,5099 0,5196 0,5292 0,5385 0,5477 0,6568 0,5657 0,5745 0,5831 0,5916
0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35
0,7153 0,7206 0,7259 0,7312 0,7366 0,7419 0,7472 0,7526 0,7580 0,7635 0,7690 0,7745 0,7802 0,7859 0,7917
0,7000 0,7047 0,7094 0,7142 0,7189 0,7237 0,7286 0,7336 0,7385 0,7436 0,7487 0,7538 0,7591 0,7646 0,7699
0,6934 0,6979 0,7024 0,7069 0,7114 0,7160 0,7207 0,7255 0,7301 0,7349 0,7398 0,7446 0,7495 0,7547 0,7597
0,6874 0,6917 0,6960 0,7003 0,7046 0,7090 0,7136 0,7180 0,7225 0,7269 0,7317 0,7363 0,7410 0,7459 0,7508
0,6830 0,6871 0,6911 0,6952 0,6994 0,7035 0,7078 0,7121 0,7163 0,7206 0,7250 0,7294 0,7339 0,7385 0,7432
0,6789 0,6828 0,6867 0,6906 0,6945 0,6984 0,7025 0,7065 0,7105 0,7145 0,7187 0,7228 0,7269 0,7312 0,7354
0,6784 0,6823 0,6861 0,6899 0,6938 0,6977 0,7017 0,7057 0,7096 0,7136 0,7177 0,7218 0,7259 0,7301 0,7343
0,6000 0,6083 0,6164 0,6245 0,6325 0,6403
0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41
0,7976
0,7754 0,7809 0,7866 0,7924 0,7986 0,8046
0,7648 0,7699 0,7752 0,7805 0,7864 0,7924
0,7554 0,7605 0,7656 0,7706 0,7763 0,7819
0,7476 0,7523 0,7571 0,7619 0,7673 0,7726
0,7396 0,7439 0,7483 0,75270 0,7576 0,7624
0,7384 0,7426 0,7470 0,7513 0,7561 0,7609
Gültig für glatte Rohre mit Durchmessern D von 50 bis 1000 mm. Zwischen den angegebenen Werten von m2 (nicht von m) und von Re kann linear interpoliert werden. Die Angabe von vier Dezimalen entspricht nicht der Unsicherheit, mit der die Zahlenwerte behaftet sind.
341
Anhang
B5: Expansionszahlen für Normblenden ε = f (m2, p2/p1, k) nach EN ISO 5167-1 p2/p1
1,0 0,98
m
m2
0,0000 0,3162 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
0,96
0,94
0,92
0,90
0,85
0,80
0,75
0,9634 0,9603 0,9571 0,9540 0,9508 0,9505
0,9463 0,9417 0,9371 0,9325 0,9278 0,9274
0,9294 0,9233 0,9173 0,9112 0,9052 0,9046
0,9126 0,9051 0,8976 0,8901 0,8826 0,8819
0,9659 0,9630 0,9601 0,9572 0,9542 0,9539
0,9499 0,9456 0,9413 0,9370 0,9327 0,9323
0,9341 0,9284 0,9227 0,9171 0,9114 0,9109
0,9183 0,9112 0,9042 0,8972 0,8902 0,8895
0,9681 0,9654 0,9627 0,9599 0,9572 0,9569
0,9531 0,9491 0,9450 0,9410 0,9370 0,9366
0,9381 0,9328 0,9275 0,9222 0,9169 0,9164
0,9232 0,9166 0,9100 0,9034 0,8968 0,8961
0,9727 0,9703 0,9680 0,9656 0,9633 0,9630
0,9597 0,9562 0,9527 0,9493 0,9458 0,9455
0,9466 0,9421 0,9375 0,9329 0,9283 0,9279
0,9335 0,9278 0,9221 0,9164 0,9107 0,9101
ε für κ = 1,20 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9919 0,9912 0,9905 0,9898 0,9892 0,9891
0,9845 0,9832 0,9819 0,9806 0,9792 0,9791
0,9774 0,9754 0,9735 0,9715 0,9696 0,9694
0,9703 0,9678 0,9652 0,9627 0,9602 0,9599
ε für κ = 1,30 0,0000 0,3162 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9925 0,9919 0,9912 0,9906 0,9899 0,9899
0,9856 0,9844 0,9832 0,9819 0,9807 0,9806
0,9790 0,9772 0,9754 0,9735 0,9717 0,9716
0,9724 0,9700 0,9677 0,9653 0,9629 0,9627
ε für κ = 1,40 0,0000 0,3162 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9930 0,9924 0,9918 0,9912 0,9906 0,9905
0,9866 0,9854 0,9843 0,9831 0,9820 0,9819
0,9803 0,9787 0,9770 0,9753 0,9736 0,9734
0,9742 0,9720 0,9698 0,9676 0,9653 0,9651
ε für κ = 1,60 0,0000 0,3162 0,4472 0,5477 0,6325 0,6403
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,41
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,9940 0,9935 0,9930 0,9925 0,9920 0,9919
0,9885 0,9875 0,9866 0,9856 0,9846 0,9845
0,9832 0,9817 0,9803 0,9788 0,9774 0,9773
0,9779 0,9760 0,9741 0,9722 0,9703 0,9701
Gültig für beliebige Gase und Dämpfe. Die Zahlenwerte für m = 0 und p2/p1 = 1 sind nur aufgeführt, um die Interpolation von Werten für m < 0,1 bzw. p1/p2 > 0,98 zu ermöglichen. Die Angabe von vier Dezimalen entspricht nicht der Unsicherheit, mit der die Zahlenwerte behaftet sind.
342
Anhang
B6: Durchflusszahlen für Normventuridüsen α = f (m2) nach EN ISO 5167-1
m
m2
α
m
m2
α
0,1000 0,1414 0,1732 0,2000 0,2236 0,2449 0,2646 0,2828 0,3000 0,3162 0,3317 0,3464 0,3606 0,3742 0,3873 0,4000 0,4123 0,4243 0,4359
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19
0,9893 0,9933 0,9972 1,0010 1,0047 1,0084 1,0122 1,0159 1,0197 1,0235 1,0274 1,0314 1,0354 1,0395 1,0437 1,0479 1,0523 1,0567 1,0612
0,4472 0,4583 0,4690 0,4796 0,4899 0,5000 0,5099 0,5196 0,5292 0,5385 0,5477 0,5568 0,5657 0,5745 0,5831 0,5916 0,6000
0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36
1,0659 1,0706 1,0754 1,0804 1,0854 1,0906 1,0959 1,1013 1,1068 1,1124 1,1182 1,1241 1,1301 1,1363 1,1425 1,1489 1,1554
Gültig für glatte Rohre mit Durchmessern D von 65 bis 500 mm im Bereich von 1,5 . 105 < Re < 2 . 106 Zwischen den angegebenen Werten von m2 (nicht von m) und von Re kann linear interpoliert werden. Die Angabe von vier Dezimalen entspricht nicht der Unsicherheit, mit der die Zahlenwerte behaftet sind.
Anhang
343
C1: Liste der Programme Um die Programme verwenden zu können, benötigt man Mathcad 2001 oder höhere Versionen. FMB01 bis FMB12: Im Buch aufgeführte Beispiele, zusammengefasst pro Kapitel. FMA0201: FMA0301: FMA0401: FMA0601: FMA0901: FMA1001: FMA1002: FMA1003: FMA1004: FMA1201:
Berechnung von Stoffwerten Berechnung der Atmosphäre Füllen eines Bassins Berechnung der Rohrreibungszahl λ und des Druckverlustes in Rohrleitungssystemen Druckverlust und kritischer Massenstrom in der Zweiphasenströmung Widerstandszahl in Rohrbündel mit glatten Rohren in fluchtender Rohranordnung Widerstandszahl in Rohrbündeln mit glatten Rohren in versetzter Rohranordnung Widerstandszahl in Rohrbündeln mit Rippenrohren in versetzter Rohranordnung Widerstandszahl in Rohrbündeln mit Rippenrohren in fluchtender Rohranordnung Durchflusszahlen der Normblenden
Sachverzeichnis
A Ablesegenauigkeit 317 Absolutdruck 9 absoluter Fehler 322 Aerostatik 1, 36 Aggregatzustand 2 Ähnlichkeitsgesetze 106 Anemometer 297 Anstellwinkel 257 Atmosphäre 36 Auftrieb 43 Auftriebskraft statische 44 Ausbreitungsgeschwindigkeit einer kleinen Druckstö 168 Ausflusszahl 165 Ausflussziffer 190 Auslaufstrecke 309
B Baker-Diagramm 214 Benetzungswinkel 16 Bernoulli-Gleichung 63 Berührungsthermometer 290 Beschleunigungsdruckverlust 217 Blasenströmung 214 Blende 153
C Colebrook
122
D Dampfdruckkurve 3 Dampfgehalt 211 Dampfvolumenanteil 212 Dichte 5
Diffusor 150 Diffusorwirkungsgrad 151 Drallsatz 21, 93 Drehmoment 95 Drosselmessgeräte 307 Druck 8 dynamischer 63 hydrostatischer 32 kritischer 189 statischer 30 Druckfortpflanzungsgesetz 30 Druckkräfte 41 Druckmessbohrung 275 Druckmessgeräte 277 elektrische 283 Druckmessleitung 275 Druckmesssysteme Anordnung der 284 Druckwiderstand 238 Durchflussmessgerät elektromagnetisches 312 Ultraschall- 313 Durchflussmessung 304 Durchflusszahlen 308 Düse 152
E ebene Strömung 213 Einheit der dynamischen Viskosität 11 der kinematischen Viskosität 12 des Druckes 8 des Massenstromes 51 des Volumenstromes 52 Einlaufstrecke 309 Energieerhaltungssatz 21, 61
346
Sachverzeichnis
erster Hauptsatz der Thermodynamik 62 Euler'sche Strömungsmaschinenhauptgleichung 96 Eulerzahl 108, 118 Expansionszahlen 308
F Fanno-Linie 177 Federmanometer 282 Fehler Angabe der 324 Fehlerfortpflanzung 321 Fehlerrechnung 316 finite Differenzen-Methode 266 Flächenschwerpunkt 41 Flächenwiderstand 237 Fließanomalien 13 Fließgrenze 13 fluchtende Rohranordnung 250 Flügelradzähler 303 Fluid 1 inkompressibles 2 kompressibles 2 Newton'sches 10 Flüssigkeitsmanometer 32, 34, 277 einseitig geschlossenes 278 Flüssigkeitsmeniskus 18 Flüssigkeitsoberfläche freie 25 Flüssigkeitsstandmessung 301 Formwiderstand 236 freie Oberfläche 25 Froudezahl 108
G Gas-Flüssigkeitsströmung 211 Gasdynamik 1 Gasthermometer ideales 293 Genauigkeit 316 Genauigkeit des Messsystems 317 Geschwindigkeitsbeiwert 165, 186 Geschwindigkeitsmessung 297
Geschwindigkeitsziffer 165 Gewichtsmanometer 281 gleichwertige Rohrlänge 157 Grenzflächendruck 17 Grenzschicht 120 laminare 120 Grenzschichtdicke 121
H Haftspannung 16 Hagen-Poiseuille'sches Gesetz 117 Hitzdrahtanemometer 299 homogene Dichte 213 hydraulischer Durchmesser 132 Hydrodynamik 1 hydrodynamisches Paradoxon 75 hydrometrischer Flügel 298 hydrophil 16 hydrophob 16 hydrostatischer Spannungszustand 8 hydrostatisches Paradoxon 42 Hyperschallströmung 170
I ideales Fluid 62 ideales Gase 7 Impulssatz 21 induzierter Widerstand 260 isentrope Schichtung 37 isotherme Schichtung 36
K Kapillaraszension 18 Kapillardepression 18 Kapillardruck 17 Kavitation 77 Kennzahlen 106 Kolbendruck 30 kommunizierende Gefäße 33 Konfusor 152 Konfusorwirkungsgrad 152 Kontaktwinkel 16 Kontinuitätsgleichung 58 Kontraktionszahl 165, 188
Sachverzeichnis
Kontrollraum 4, 54 Körpertiefe 237 Körperwiderstand 237 kritischer Druck 189 kritischer Durchfluss 229 kritischer Massenstrom 190 kritisches Druckverhältnis 188 Krümmer 154
L laminare Grenzschicht 235 laminare Strömung 111 Laser-Doppler-Anemometer 300 Lilienthal 259 lokale Dichte 213 Luftwiderstand 240
M Machzahl 169 Magnus-Effekt 257 Massenerhaltungssatz 21, 54 Massenstrom 50 Messungen unmittelbare 315 vermittelnde 315 Messunsicherheit 317 metazentrische Höhe 45 Metazentrum 45 Methodik 21 Modellversuche 109
N Navier-Stoke-Gleichungen 141 Nebelströmung 214 Newton'scher Schubspannungsansatz 11 Niveaumessung 35 Normalspannung 8 Normatmosphäre 38 Normblenden 308 Normdüsen 308 Normventuridüsen 308
347
O Oberflächenspannung 14 Einheit der 15 Ovalradzähler 303
P Peltonturbine 101 Pfropfenströmung 214 Phase 5 Piezorohr 65 Pitotrohr 65 Polardiagramm 259 Potentialwirbel 256 Prandtlrohr 65, 298 Problemlösungsmethodik 21 Profilbreite 257 Profillänge 257 Projektionsmanometer von Betz 280 Propellertheorie vereinfachte 89 Propellerwirkungsgrad 91 Prozess 22
Q quer angeströmtes Rohrbündel 249 Querschnittserweiterung allmähliche 150 plötzliche 147 Querschnittsverengung allmähliche 152 plötzliche 148
R Randwinkel 16 reales Gas 7 Realgasfaktor 7 Reibungsdruckverlust 62, 105, 114, 217 Reibungsdruckverlust von Rohrbündeln 249 Reibungswiderstand 236 Reynoldszahl 107
348
Sachverzeichnis
Rheologie 10 Ringkolbenzähler 303 Ringströmung 214 Rippenrohre 253 Rohrbogen 154 Rohreinläufe 146 Rohrleitungssysteme 156 Rohrreibungsbeiwert 117 Rohrreibungskoeffizient 117 Rohrreibungszahl 117 Rückstoßkraft 84
S Schalenkreuzanemometer 297 Schallgeschwindigkeit 168 in der Zweiphasenströmung 230 scheinbares Gewicht 44 Schichtenströmung 213 schießende Bewegung 113 Schmelzdruckkurve 3 Schubspannung 8, 11 Schubspannungsansatz Newton'scher 11 Schwallströmung 214 Schwebegeschwindigkeit 245 Schwebekörper-Durchflussmesser 311 Schweredruck 32 Schwimmachse 45 Schwimmebene 45 Schwimmen 43 Schwimmfläche 45 Seitenwindkraft 243 Sichtbarmachung von Strömungen 49 Spannweite 257 Sperrflüssigkeit 278 spezifisches Volumen 5 Spritzerströmung 214 Stagnationstemperatur 172 Standardabweichung 318 statischer Druckverlust 217, 223 Staupunkt 235 hinterer 48
vorderer 48 Steilrohrmanometer nach Prandtl 280 Strahlkontraktion 148 Strahlpumpe 74 Strahlstoßkräfte 86 Strahlungsthermometer 290 Stratosphäre 36 Streuung 318 Strombahn 48 Stromlinie 48 Strompfad 48 Stromröhre 48 Strömungsablösung 235 Strömungsfeld 48 Strömungsformen 111, 213 Strömungsgeschwindigkeit 47 Struhalfrequenz 247 Struhalzahl 247 Sublimationsdruckkurve 3 System 3, 22 geschlossenes 4 offenes 4 Systemgrenze 3
T Temperatur 9 Temperaturmessgeräte 291 Thermistoren 293 Thermoelement 294 Thermometer 290 Totalenthalpie 172 Totwassergebiet 113 Tracer-Durchflussmessung 314 Tragflügel 256 transsonische Strömung 170 Trapezregel 305 Trommelzähler 302 Troposphäre 36 turbulente Strömung 111
U U-Rohr-Manometer beidseitig offenes 278
Sachverzeichnis
Überdruck 9 Überschalldiffusor 210 Überschallkonfusor 210 Überschallströmung 170 Umschlag laminar-turbulent 112 Umströmung schleichende 113 überkritische 113 unterkritische 113 Unterdruck 9 Unterschallströmung 170
V Varianz 318 Venturidüse 67 Verdichtungsstoß 178 versetzte Rohranordnung 250 Vertrauensbereich 316, 320 Verzweigungen 155 Viskosimetrie 10 Viskosität 10 dynamische 10 kinematische 10 Volumen spezifisches 5 Volumenstrom 52 Volumenzähler 302
W Wanddruck 65 Wasserlinie 45 wellige Strömung 214 Widerstandszahl 145, 237 von Rohrleitungselementen 146 Windkanal 109 Wirbelablösung 246 Wirkdruck 307 Woltmanzähler 304
Z Zustandsänderung 22 Zustandsgröße 5 Zweiphasenströmung 211 zweites Newton'sches Gesetz
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